跳到主要內容

結合細菌與晶片的仿生葉(Bionic leaf)

替代能源的發展,除了生質酒精、生質柴油外,其實也有許多研究團隊在研發如何將太陽能轉為可儲存的能源。畢竟,太陽能不需要如生質能源背負與人爭食或砍伐森林的罪名,只要天空沒有被雲籠罩,它就是取之不盡用之不竭。

過去,哈佛Nocera老師的研究團隊,曾經發表過以矽(Si)為原料的半導體電池,它可以在接受光能後,利用光能轉化的電能將水分解為氫氣(H2)與氧氣(O2)。雖然氫氣也可以用於燃料,但由於氫氣非常容易自燃(佔大氣4%以上即有自燃的風險)、運輸較液態能源(汽油、柴油、酒精)不便,加上目前的內燃機(引擎)都還是使用液態能源看來,雖然氫氣真的很環保(燃燒完就剩下水),但卻不大適合。

於是研究團隊開始尋找能把氫氣轉換成為液態能源的方式。這次,他們結合了加大洛杉磯分校的研究團隊。加大團隊將Ralstonia eutropha這隻菌做了一些修改,使它在養分不足(nutrient-limited)的狀況下將乙醯輔酶A(acetyl-CoA)用來產生異丙醇(isopropanol)。原本Ralstonia eutropha會將乙醯輔酶A合成PHB(polyhydroxybutyrate)儲存起來,但加大的研究團隊用生物工程的方法把中間的兩個酵素去掉,然後植入帶有另外四個基因的質體,使細菌不再能夠合成PHG,卻有了合成異丙醇的能力。於是,當這隻菌在缺乏氮源的時候,只要提供給它氫氣與二氧化碳,它便開始產生異丙醇了。雖然二氧化碳要額外打進去,但以現在地球的狀況來說,二氧化碳多得很,不是正好可以用掉嗎?

結合細菌與晶片的液態能源產生系統。圖片來源:Science, Li et. al., 2012
但是光只是這樣還不行,這個系統還有一些需要調整的地方。由於使用電極來分解水,除了氫氣已外也會產生氧氣,而在通電的狀況下,不免會產生一些自由基妨礙細菌生長;另外是,電極若使用貴金屬白金或銦(indium),不僅這些金屬價格昂貴、不易取得,這些金屬在自然狀況下(別忘記,這個系統使用了細菌,所以所有的操作要盡量符合自然狀況)對水的電解力也不高(除非提高電壓,但如此一來又會產生更多自由基)。

研究團隊首先使用了磷酸鈷(CoPi)與鎳錳鋅/不鏽鋼的電極,解決了貴金屬與電解力不足的問題;但是自由基仍不免產生,於是研究團隊嘗試加入來自牛肝的過氧化氫酶(catalase)。在過氧化氫酶順利處理掉了自由基的問題後,整個系統的產能來到每公升培養液產出216毫克的異丙醇,若換算為太陽能-生質能轉換則來到3.2%,為目前所有地球上的系統中最高,連在生長季節的植物也只有1.4%-2.0%而已呢!由於異丙醇可以用於內燃機,容易儲存與運輸,所以這個改良可說是生質能源的大進步。

過去單純的使用太陽能發電,由於電能只能短時間儲存(電池),造成一定程度的浪費;如能有將光能轉換為化學能(如光合作用)的方法,便可以將光能儲存起來。過去許多轉換的方式,若不是儲存困難(氫氣),便是只能小量施作,無法擴大。現在哈佛開發的方法,可以將光能以化學能的方式儲存起來,又能擴大施作,產生的化學能還可直接用於內燃機。雖然異丙醇燃燒會產生二氧化碳,但這個方法所產製的異丙醇也是由二氧化碳而來,構成了一個完整的循環。真的非常令人期待呢!

本文版權為台大科教中心所有,需經同意方可轉載)

參考文獻:

Wikipedia. Hydrogen.

Han Li, Paul H. Opgenorth, David G. Wernick, Steve Rogers, Tung-Yun Wu, Wendy Higashide, Peter Malati, Yi-Xin Huo, Kwang Myung Cho, James C. Liao. 2012. Integrated Electromicrobial Conversion of CO2 to Higher Alcohols. Science. 335:1596

Joseph P. Torella, Christopher J. Gagliardi, Janice S. Chen, D. Kwabena Bediako, Brendan Colón, Jeffery C. Way, Pamela A. Silver, and Daniel G. Nocera. 2015. Efficient solar-to-fuels production from a hybrid microbial–water-splitting catalyst system. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. doi: 10.1073/pnas.1424872112

留言

這個網誌中的熱門文章

為什麼「種豆南山下,草盛豆苗稀」?

陶淵明在「歸園田居」詩中,曾經提到「種豆南山下,草盛豆苗稀」。這首詩大家都很熟了,也是很受歡迎的國文教材,但是,有多少人認真去想為什麼「草盛豆苗稀」呢?難道只是因為陶淵明不會種田嗎?

雖然根據歷史的記載,「歸園田居」可能真的就是在他剛隱居的時候寫的(1);而在那時候,可能他的耕種技術也的確是還有待提升;不過筆者卻認為,從生物學的角度來看,「草盛豆苗稀」也不全是耕種技術的問題。

首先,我們來看一下氣候。陶淵明隱居的地點在潯陽柴桑,也就是現在的江西省九江市星子縣。當地是北緯29.44度,在北回歸線以北,屬於濕潤型亞熱帶氣候(2),1971-2000的年平均溫度為攝氏17.03度,每年四月就不再有攝氏零度以下的低溫(3)。雖然還是比臺灣偏北(台北市是北緯25.02度),大致上還是屬於溫和的氣候,植物的種類應該也不會相差太多。即使考慮近年來全球暖化的問題,應該也不會超過攝氏一度(4)。

在亞熱帶的台灣,夏天通常並不是植物茂盛生長的時期。為什麼呢?因為世界上90%的陸生植物是C3植物,這些植物在氣溫超過攝氏30度時,會因為光呼吸作用(photorespiration)造成水分的消耗大量上昇。C3植物(如大豆)在攝氏30度時,每抓一個二氧化碳分子就要消耗833個水(5),於是植物的生長速度就開始變慢。

不過,並不是所有的植物在夏天時生長速度都會變慢唷!有些植物,如玉米、甘蔗等,反而在夏天時長得特別好。為什麼呢?

原來玉米與甘蔗是所謂的C4植物,它們既耐熱又耐旱,跟C3植物比較起來,在攝氏30度時C4植物每抓一個二氧化碳的分子只消耗277個水(5),所以夏天的時候,它們的生長速度ㄧ點都不受影響呢!
說到這裡,讀者可能會想:什麼是C4植物?為什麼它們能夠既耐熱又耐旱呢?
所謂的C3、C4植物,指得是它們在光合作用上的不同。C3植物進行光合作用時,是由卡爾文循環(Calvin cycle)的酵素(RuBisCo,如圖二)直接抓取溶解在細胞中的二氧化碳,與核酮糖1,5-二磷酸(ribulose 1,5-bisphosphate,RuBP)進行反應;


而C4植物則在卡爾文循環上面,又增加了幾個步驟,而且這幾個步驟還跟卡爾文循環在不同的組織中進行呢(如圖三)!為什麼會這樣呢?


原來,C4植物多半都生活在亞熱帶或熱帶,在這些氣候區,植物進行光合作用時,會遇到一個大問題。

這個問題來自於卡爾文循環的第…

【原來作物有故事】麵包樹 熱帶果實引發電影傳奇

第一次聽到麵包樹的名字,是在小學的校園裡。當時老師說麵包樹雖然果實真的長得像麵包,但因為台北太冷了,原生於熱帶的它沒辦法在台北開花結果。

後來在花蓮當老師時,發現學校餐廳夏天有時會出現一種特別的蔬菜湯:裡面有黃色果肉、白色種子的「菜」。在地的同事告訴我,那叫做「巴吉魯」,也就是麵包樹的果實。

花蓮的夏天總是不缺「巴吉魯」,不只市場裡有賣、有些人家的院子裡就有麵包樹。在地的朋友說,成熟的果實削皮切塊加點小魚乾煮湯很好喝,長不大的果實(雄花花序)用來燃燒驅蚊,據說比蚊香還有效。

麵包樹是桑科波羅密屬的多年生大型喬木,花為單性花,雌雄同株;果實是由30-68朵雌花所形成的多花果。麵包果通常在採收後五天到一週內食用最好吃,如果冷藏可以保存二到三週。

目前的研究認為麵包樹源自大洋洲新幾內亞、馬來半島、與西密克羅尼西亞。台灣的麵包樹原生於蘭嶼。在蘭嶼,麵包樹稱為“chipogo”,達悟族人用於製作船首、船尾板、坐墊,及住屋用的宗柱、主屋之踏腳板與木笠、木盤等用具,而分泌的乳白色汁液具黏性,可以當作粘接劑。

達悟族較少食用麵包果,倒是台灣東部的阿美族與太魯閣族經常拿麵包果來吃;不過太平洋群島上最常見的吃法應該是將麵包果放在鋪了葉片的坑洞內發酵成可以放二、三年的「果醬」。由於太平洋群島夏季常有颱風,這些「果醬」對各地原住民們是颱風後很重要的緊急糧食。既然麵包樹這麼重要,「南島語族」(包括台灣的原住民)不論坐船到哪裡,總是帶著麵包樹的種子。所以,麵包樹在太平洋各群島上是常見的風景。

第一個看到麵包樹的歐洲人應該是十六世紀末到十七世紀初的葡萄牙航海家佩得羅‧費爾南德斯‧德‧基羅斯。比他晚將近一百年的英國航海家威廉‧丹皮爾船長,他提到麵包樹的果實可以烤來吃。

到了十八世紀,麵包樹突然搖身一變成了「神奇糧食」。到底發生了什麼事呢?原來在1769年與庫克船長乘「奮進號」的英國植物學家班克斯爵士在大溪地看到了麵包樹,因為麵包樹的果實約有四分之一為澱粉、在熱帶地區又長得很好,使班克斯認為麵包樹可能是解決英國在牙買加殖民地奴隸營養問題的解答。於是在1787年,英國皇家科學院派遣邦迪號前往大溪地收集麵包樹帶到加勒比海群島種植。為了這個目的,船上還有一位隨船的植物學家大衛‧尼爾森。

原訂於8月16日出發的邦迪號,因為一連串的延遲,最後終於到了大溪地、收集了足夠數量的麵包樹以後,卻在因為船長布萊一路…

通風報信的植物

植物受傷時會有什麼反應?過去的研究讓我們瞭解,當植物被攻擊(受到病原菌感染、受傷)時,會釋放出揮發性有機物質(VOCs,Volatile Organic Compounds),讓自己以及附近的植物啟動防禦機制。這個作用有點像古代的烽火臺,當敵人來襲就燒起狼煙,附近的人看到狼煙就知道這裡出事了,要加強戒備。

不過,當附近的植物感應到VOCs時,它們會如何加強自己的防禦機制呢?過去的實驗發現,當植物的地上部位受到病原菌感染時,會傳遞信號給自己的根,接著根部的鋁活化蘋果酸運輸蛋白(ALMT1,aluminum-activated malate transporter)便會活化後釋放蘋果酸(malate)到土壤中來召喚枯草桿菌 UD1022(Bacillus subtilis UD1022)這隻植物的益菌。這些現象是否不僅僅發生在苦主、也發生在附近的植物身上呢?

康納(Connor Sweeney)和他在德拉瓦大學的指導教授,最近發現:不只是受傷的植物本身會進行這些防禦機制、附近的植物也會呢!

康納是德拉瓦州(Delaware)的高中生。他因為對科學有興趣,寫了e-mail給德拉瓦大學(University of Delaware)的白斯教授(Harsh Bais),表達希望能進他的實驗室學習。當白斯老師回信說「OK」的時候,康納高興得不得了。

於是他就開始了他的實驗室生活:下課後、週末以及暑假,康納都在白斯老師的實驗室裡種阿拉伯芥(Arabidopsis thaliana)。雖然他也是高中的游泳校隊,但他盡可能地投入時間作實驗。

成果是豐碩的。兩年後,康納在白斯教授的指導下,解出了植物接到鄰居的「狼煙」以後,接下來做了什麼;他們的成果發表在2017年的「植物科學前鋒」(Frontier in Plant Science)期刊上。

以一個高中生來說,這可是個非同小可的成就;康納不只是付出了許多努力,他也細心觀察每一個實驗。因為他夠細心,所以才沒有錯失了重要的發現。

這個重要的發現是什麼呢?有一天他如常地進行實驗:把一株阿拉伯芥用鑷子弄了幾個傷口,準備明天觀察它的反應。不同的是,這次旁邊有一株阿拉伯芥沒有被他弄傷。

第二天他看到了令他不敢相信的結果:旁邊的阿拉伯芥的主根變長、而且還長出了不少側根。

於是他們做了更多測試。他們發現:旁邊有受傷的伙伴的小芥們,主根生長的速度大約…