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在家合成鴉片的最後一哩,達成!

鴉片罌粟。圖片來源:wiki

上次我們提到兩個團隊已經幾乎把合成鴉片所需的酵素放到細菌與酵母菌中(見「在家合成鴉片可能嗎?」 ),最近發表在Sciencexpress的研究論文,更已經突破了這一點!

先前的研究已經進展到,可以由(R,S)-Norlaudanosoline合成到(S)-reticuline;而(R)-reticuline到嗎啡也已經完成,就獨獨從(S)-reticuline到(R)-reticuline沒辦法。

加拿大的研究團隊當初推想認為:由(S)-reticuline到(R)-reticuline需要三個酵素;不過,也有其他科學家認為只需要兩個酵素。到底是三個還是兩個呢?最近,這個問題被由英國與澳洲組成的研究團隊解答了!原來從(S)-reticuline到(R)-reticuline所需要的酵素只有「一」個(1)!

不過,這一個酵素其實同時具備有細胞色素P450(cytochrome P450)與氧化還原酶(oxidoreductase)活性,所以可以說原先推想認為是兩個酵素的科學家,也沒猜錯啦。

為什麼英國與澳洲的研究團隊這麼厲害,可以找到加拿大團隊找不到的基因呢?原來他們手上有一個突變種鴉片罌粟。這個突變種體內的reticuline濃度特別高,因為它無法把(S)-reticuline轉為(R)-reticuline。

但是,這個突變種過去就已經有了。只是,當時研究它的人並不認為它是少了把(S)-reticuline轉為(R)-reticuline的能力;因為當時他們使用了干擾RNA的技術製造了突變種,使它產生了codeinone reductase這個基因的缺失。奇妙的是,雖然這個基因位於整條代謝途徑的下游,它的缺失卻使得(S)-reticuline累積(2),中間相差了八個步驟。

當時他們認為,這個現象應該是回饋抑制(feedback inhibition)的緣故;不過當時他們也發現,中間的幾個酵素表現量都很正常。有鑑於此,英國與澳洲的研究團隊認為,一定還有其他的酵素有問題。

進一步研究後發現,原來這個突變種還少了另一個基因「STORR」,而這個基因是一個同時具備有細胞色素P450與氧化還原酶活性的蛋白質。只要有它在,鴉片合成的最後一哩就完成了。

STORR蛋白可以把(S)-reticuline先氧化產生1,2-dehydroreticuline,然後再還原生成(R)-reticuline。接著就交給以前的團隊囉~

這下,要如何規範「在家釀鴉片」?政府單位有得頭痛了...

本文版權為台大科教中心所有,其他單位需經同意始可轉載)

參考文獻:

1. Ian A. Graham et. al., 2015. Morphinan biosynthesis in opium poppy requires a P450-oxidoreductase fusion protein. Sciencexpress.

2. Philip J Larkin et. al., 2004. RNAi-mediated replacement of morphine with the nonnarcotic alkaloid reticuline in opium poppy. Nature Biotechnology. 22(12):1559- 1566. doi:10.1038/nbt1033

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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)。

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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。

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【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。

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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。

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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。

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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…