基因編輯微生物　開展綠色天地

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（台北內科週報第596期／2023年9月18日-2023年9月24日）

【ESG促進平台】基於全球暖化的趨勢，目前國際化學工業致力於減少石化燃/原料使用，終端產品要求一定比例的綠色/生質原物料，因此化學產品以基因改造微生物生產已成為進入市場的門檻。

多年來，國科會積極推動淨零減碳政策，為永續地球環保做出貢獻。在國科會「產學大聯盟計畫」、「中堅躍昇研究計畫」，及「特約研究計畫」長期支持下，清華大學化工系胡育誠講座教授開發出各種「基因編輯微生物生產生質化學品」技術，可協助化學工業減少在製造化學品過程中所產生的碳排放以及能源消耗。

胡育誠教授發展最新的基因編輯CRISPR（clustered, regularly interspaced, short palindromic repeats）技術，調控微生物的代謝路徑，使得微生物生產自然界中原本不會生產的生質化學品，舉例而言，他開發基因編輯藍綠菌（1種可以行光合作用以二氧化碳為碳源的細菌）的CRISPR技術，大幅縮短基因改造藍綠菌的時間，並可將二氧化碳捕捉轉換成生質化學品2,3-丁二醇，達到淨零減碳的目的。

以前述技術為基礎，胡育誠教授實驗室成功基因編輯許多難以用傳統方法基因改造的微生物，如戀臭假單胞菌，更發展出創新的SHOT（ShCAST-based Optimized Transposon）基因編輯技術改造大腸桿菌；這些技術及菌株已成功用於生產琥珀酸、2,3-丁二醇、2,5-呋喃二甲酸等重要化學原料。

▲國科會李志鵬處長（左3）與清華大學胡育誠講座教授研究團隊合影（照片係國家科學及技術委員會提供）。

此外，胡教授結合合成生物學與代謝工程，發現新的基因，並開發嶄新的基因編輯技術改造酵母菌，以生產高價值的中碳鏈二元酸，發展出台灣第1個自有生產技術。中碳鏈二元酸是製造高價值尼龍、高檔潤滑油、聚酰胺熱熔膠、高級香料、防銹劑、耐腐蝕塗層之重要原料；傳統的化學生產法包括脫氫、分離和氧化等多種複雜步驟，過程需要高溫、高壓，以及高能量消耗，且存在爆炸和環境污染的風險。而利用基因改造微生物可以使用高度專一的酵素進行催化，在常溫常壓下進行反應，具有低能量消耗、低污染的優點，同時符合綠色化學生產的國際趨勢。

目前全球中碳鏈二元酸供應主要來自於中國大陸，台灣仍缺乏商業化生產的能力。胡教授研究團隊開發出自有的生產技術後，所生產中碳鏈二元酸的產量已經與世界領導廠商並駕齊驅。他的研究團隊，同時也發展出下游的純化以及鑑定程序。目前已經申請3項台灣、美國及中國專利，並且進行製程的優化與放大，以進行後續的商業化生產。

化工產業是台灣產業發展的基石，相關產品在人類的日常生活中無所不在，也協助創造了經濟奇蹟。現今製造半導體的原材料中，化工相關製品佔材料比重也達6成以上，可見化工產業也是台灣的護國神山之1。

長久以來，化工產業均是以石油為原料，化學法生產為主。在淨零減碳更加迫切的時代，更安全、環保、節能的微生物轉化法成為化工產業必須轉型之路。胡育誠教授團隊的研發成果，開創了自有的生質化學品生產能力，期待此生物轉換法能在化工產業中廣泛應用，往綠色製造與淨零減碳目標前進。

海大展現　永續生態跨域科研力

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（台北內科週報第594期／2023年9月4日-2023年9月10日）

【產學政研連線】展現國際視野，結合跨領域學術資源，台灣海洋大學海洋生物研究所師生，以研究為環境與生態尋求解方。其中，來自印度的海生所博士生琵雅（Priyanka Muthu），結合兩位指導教授，即黃將修教授生態專長與何攖寧助理教授微生物研究，親身踏入海域長期調查，關注黑潮海洋生物在規模各異的塑膠上，所形成的生態系統。她從觀測到實證的研究，連續兩年獲得美國空氣與廢棄物管理協會（Air & Waste Management Association, A&WMA）頒發「固態及有害廢棄物研究」獎學金肯定。

另1位獎學金得主、同為海生所的印度籍博士生肯娜（Jiji Kannan），在陳歷歷教授的指導下，運用彭家禮教授推薦的海洋真菌，以所產生的次級代謝物為研究主題，在生命科學暨生物科技學系許邦弘副教授化學分析技術支援下，找出具備良好抗氧化機能的成分，期待透過添加入飼料，作為魚蝦抗病原的優質選項。

▲海大的海生所師生結合跨領域學術資源，為環境與生態尋求解方（照片係台灣海洋大學提供）。

目前，琵雅透過研究，深入認識塑膠與生物間錯綜複雜的關係。除了從微觀上解析現今學界著重的海洋塑膠微粒附著生物，她同時以宏觀角度，關注附著大型海洋廢棄物所形成的微生物生態系統（plastishpere）。2022年，她即密切關注黑潮流經的福隆、龜山島鄰近海域塑膠汙染狀況。藉由10幾個位置採水，檢視生物、有機物附著塑膠的現況，成果獲得美國空氣與廢棄物管理協會頒發「固態及有害廢棄物研究」獎學金。

在海域塑膠汙染情形觀測的基礎下，琵雅今年更透過現地的設置實驗，使用何攖寧助理教授開發的海廢生物圈監測系統，搭配攜帶型DNA定序技術（Oxford Nanopore Technologies）。每週定期追蹤現地設置的漁網、寶特瓶、浮木等常見海洋廢棄物，驗證海廢上不同時期附著物種的演變。實驗成果，除了忠實呈現黑潮生態系中的微生物樣貌及種類，更是檢視致病菌、有機汙染物、入侵外來種等風險的重要參考依據。

▲海大的海生所國際博士生塑膠生態圈與次級代謝物雙研究，獲國際協會肯定（照片係台灣海洋大學提供）。

其次，肯娜的母國印度，是目前世界蝦類養殖產業的重鎮之1。然而，水產養殖的治療過程中，過度使用抗生素或化學藥品，導致具有抗藥性的病原體基因出現，對物種與生態造成嚴重影響。在陳歷歷教授的指導下，她深入紅樹林，藉由海生所彭家禮教授的推薦，以幾種附著在木頭上的海洋真菌為研究對象，嘗試從真菌產生的次級代謝物，尋找取代抗生素等化學藥劑的解決方案。

經研究發現，海洋真菌產生的次級代謝物有良好的抗氧化能力，肯娜進一步分析當中具備抗發炎、抗微生物的成分，期待應用在蝦類養殖的技術上。陳歷歷教授分享，這些海洋真菌可說是「紅樹林的靈芝」，若能透過海洋真菌的大量培養，運用低廉成本，將成分製成魚、蝦的飼料添加物，高度利用價值不容小覷。而海洋真菌對環境友善的特性，可以減少抗生素等藥品對環境的傷害，有助於維護生物多樣性。此外，次級代謝物的有效成分若能透過進一步純化，有望應用於更多領域，甚至研製成保健品，提升人體免疫力。