〈研之有物〉改造細菌，把二氧化碳變燃料！── 廖俊智與合成生物學
運用合成生物學邁向淨零排放的未來
氣候變遷是本世紀最重大的環境課題，為了達到 2050 年溫室氣體淨零排放的目標，除了提高能源效率、生產再生能源，勢必也得將化石燃料產生的溫室氣體，轉化為再利用形式。在這個前提下，如何將二氧化碳變成永續性的燃料？中央研究院院長廖俊智團隊以合成生物學改造細菌基因，重新設計代謝路徑，讓細菌將二氧化碳等溫室氣體轉化成燃料與化學品，有效減少溫室氣體。2021 年廖俊智更獲得以色列總理獎，表彰他在生質能源研究的重大突破。
科幻成真！？回收二氧化碳成為可用燃料
想像一下以下畫面：
白天你和家人在客廳聊天，呼出的二氧化碳被特殊的裝置吸收後，機器內經過改造的細菌，可將二氧化碳轉換成葡萄糖，到了晚上你就用這些糖泡咖啡。準備出門時，汽車沒油了，這次換另一種改造細菌吸收二氧化碳，之後便直接產出可用燃料。
以上這些如同科幻小說的場景，正在中研院廖俊智院長的實驗室中逐步成真。研究人員以合成生物學的技術，改造細菌基因，重新設計細胞代謝路徑後，這種合成細菌能吸收二氧化碳等溫室氣體，產出我們所需要的燃料或化學物質。
合成生物學是什麼？
雖然合成生物學也有修改生物基因，但與過去基因改造的規模完全不可同日而語。傳統基因改造，只能增加或剔除一到數個基因，並限定在優化或弱化細胞的某些特定功能，例如耐旱、抗蟲等。
合成生物學則可設計一條新的代謝路徑，修改所需之完整基因群，重寫細胞的功能——等同於重新設計細胞！例如：把大腸桿菌改造成只吃甲醇的細菌。
細胞的代謝，指的是細胞內一連串化學反應，可以是分解分子、取得能量，如細胞的呼吸作用；也可以是合成所需要的分子，如植物以光合作用合成葡萄糖。
過去，生物學家致力了解自然生物，基因改造只是其中一項技術。如今，人類已解碼生物的元件——細胞的結構，知道細胞在不同基因群的指揮下，會創造不同的代謝路徑，執行各種功能。
合成生物學立基於過去的知識積累，改造大量基因，創造出全新的代謝路徑。這好比設計一款新手機，是從舊的手機模組出發，大幅改變內部的半導體元件和電路，研發出全新功能。換句話說，合成生物學讓人類進入了可「設計生命」的時代。
合成生物學，就是以工程學的概念來重新設計細胞。
先設計，再演化！
具體來說，科學家會先決定想要的新功能（代謝路徑），不過細胞代謝與其控制基因的機制非常複雜，人類仍未完整地解開謎團，不可能事先知道所有需要修改的基因。因此合成生物學改造基因，不是如同過去一個個剪貼，而是先設計、再演化。
在設計階段，要先選取某些細菌細胞，改造一些基因，讓細胞非常靠近預期目標；接著再給予適當的環境，讓這些細胞自己演化，看看哪一株的後代會演化出想要的功能。
廖俊智比喻，這就像想要橫渡大洋，至少得先有一條船才能出發，航行途中再逐步完善細節，如將船身改造成流線形等等。
舉例來說，下圖是廖俊智在 2020 年發表合成嗜甲醇菌成果的研發過程。為了將大腸桿菌改造成只吃甲醇的合成細菌，並且產生可再利用的化學原料。研究團隊透過設計、定向進化、成像與基因定序，成功做出世界第一株「合成嗜甲醇菌」。
以合成生物學技術，重新改造細胞的代謝路徑，一旦演化成功，細胞將可自行產生人類化學工程難以製造的複雜、精準的分子或細胞。
目前合成生物學聚焦在工業與醫藥領域，工業上是利用細菌工廠生產不同的燃料或化學分子，如廖俊智團隊改寫各種細菌的代謝途徑，成功製造燃料與化學品；醫藥領域則包括新興的癌症療法「CAR-T 免疫療法」，將 T 細胞重新改造，增強殺敵功力，對抗癌細胞更給力。
二氧化碳變燃料，對抗全球暖化危機
綜觀廖俊智的研究，核心關懷始終是以合成生物學解決全球暖化問題。他透過多篇論文，展示如何改變微生物的代謝途徑，將再生原料轉化為燃料與化學品。其中，將二氧化碳直接轉化為燃料，無疑是廖俊智最具原創性的成就之一！
過去，人們已經可以利用細菌生產燃料、抗生素或治癌藥物，但多以醣類為原料，因此需要種植甘蔗和玉米，不僅成本昂貴，把食物拿來當燃料也不是理想之舉。於是廖俊智思考，何不回到源頭，從二氧化碳開始著手呢？亦即以二氧化碳為原料，打造新的碳循環。
因為醣類是植物吸收二氧化碳後，經過光合作用產生，他溯源發想：我們是否能夠直接改造光合作用，讓植物只吸收二氧化碳，但不產糖、改產燃料，形成永續的碳循環？這樣一來既解決原料問題，也能消化目前只能封存、無法利用的巨量二氧化碳。
廖俊智十年磨一劍，發展各種實驗進路，在 2012 年，利用電力間接驅動微生物，執行二氧化碳的生物還原，成功將電能儲存在液態燃料（異丁醇）中。這是結合太陽能電池與微生物生化反應以生產燃料的世界首例，研究成果獲登於國際期刊《科學》（Science）。
故事要從光合作用說起……
要了解廖俊智如何完成從二氧化碳轉化為燃料，首先得了解什麼是光合作用？
光合作用分成兩個步驟，第一步是光反應，將光能變成化學能；第二步是利用這個化學能來固定二氧化碳，最終產生葡萄糖。
光合作用是利用光激發葉片釋放電子，來還原二氧化碳中的碳。廖俊智則改以太陽能板的光電效應產生電子來驅動碳還原，能比生物更穩定、有效率地提供電子。另一個好處是，可藉此將太陽能板產生的電能轉為化學能儲存，解決太陽能儲存電能效率過低的問題。
有了電子來源之後，廖俊智團隊選擇 R. eutropha 細菌為修改對象，這種細菌沒有葉綠體，但當電極將溶液中的二氧化碳還原成甲酸（HCOO–）後，它會利用甲酸來合成化學能（NADPH），搭配溶液中的二氧化碳，來進行光合作用中的「固碳反應」，也就是卡爾文循環。
所謂「固碳」，是指將二氧化碳轉化成高碳數的化合物，使其不再逸散至空氣中，而能再次回收利用。
更重要的是，利用合成生物學技術，R. eutropha 細菌的代謝路徑被重新設計、演化，使這條「擬光合作用」路徑的最終產物不是葡萄糖，而是異丁醇（isobutanol），這種高碳數的醇類可作為汽油的代替物，或者加工成航空燃料。
世界第一株「合成嗜甲醇菌」
除了 R. eutropha 細菌和光合作用之外，廖俊智團隊也持續嘗試設計不同的人工碳循環，為減少碳排放開闢了更多可能性。
早在 2008 年，廖俊智即在《自然》（Nature）期刊發表以改造過的大腸桿菌合成出異丁醇，讓生質能源不再獨尊乙醇燃料，轉而發展高碳分子燃料。這項技術已技轉美國能源公司，應用在航空業的生質燃油製造。
2020 年，廖俊智研究團隊又有新戰績！團隊成功改造大腸桿菌，創造出世界第一株「合成嗜甲醇菌」，專門吃下由溫室氣體轉化而成的甲醇，並產出可再利用的燃料，甚至再轉化成各種生活化學產品，讓細菌成為貨真價實的化學工廠。研究論文於 2020 年 8 月登上《細胞》（Cell）期刊，被譽為「合成生物學的新標竿」。
何謂合成嗜甲醇菌？對一般細菌而言具有毒性的甲醇，對嗜甲醇菌來說反而是可以代謝利用的資源。科學家很早就在研究是否能將這些細菌加以改造，使之吸收甲醇，製造人類的化學品。可惜，天然的嗜甲醇菌難以被改造。
於是科學家把焦點轉向，思索能否將其他細菌改造成嗜甲醇菌？但多年過去，仍遲遲未獲成果。
2020 年，廖俊智團隊發現：甲醇在進入一般細菌後，會使細胞內的 DNA 及蛋白質互相糾纏，導致細胞死亡。因此，研究團隊以獨創理論推測出大腸桿菌需被調控的關鍵酵素，並展開更嚴密的基因調控，避開這條死亡之路，終將大腸桿菌改造成嗜甲醇菌，而且生長速率接近天然嗜甲醇菌。
「這是中研院團隊獨力創造的成果。」廖俊智欣慰之餘，也特別提出研究突破來自中研院優秀人才長時間的熱忱投入、抽絲剝繭地探究問題的線索，加上院內先進的核心設施，才得以實現如此重大的成果。
數十年來，秉持著以合成生物學解決全球暖化問題的核心關懷，廖俊智每一篇在《自然》、《科學》等頂尖期刊上發表的論文，皆是航向這個目標的關鍵片段，如今也越來越接近完整輪廓。雖然前路仍充滿未知，但他相信：「不可能一次解決所有問題，但不用擔心，總是能想到解決方案。這就是科學的樂趣！」
All solutions have a problem, but all problems have a solution.（所有解決方案都會遇到問題，但所有問題也都將有解決方案。）
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延伸閱讀：
- 〈2050 淨零碳排的科學解方〉，中央研究院 YouTube 頻道。
- Atsumi, S., Hanai, T., & Liao, J. C. (2008). Non-fermentative pathways for synthesis of branched-chain higher alcohols as biofuels. Nature, 451(7174), 86–89.
- Chen, F. Y. H., Jung, H. W., Tsuei, C. Y., & Liao, J. C. (2020). Converting Escherichia coli to a Synthetic Methylotroph Growing Solely on Methanol. Cell, 182(4), 933–946.e14.
- Li, H., Opgenorth, P. H., Wernick, D. G., Rogers, S., Wu, T. Y., Higashide, W., Malati, P., Huo, Y. X., Cho, K. M., & Liao, J. C. (2012). Integrated Electromicrobial Conversion of CO2 to Higher Alcohols. Science, 335(6076), 1596.