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Take Home Message
• 合成生物學有如生物領域的工程學，以基因編輯改變生物的代謝反應途徑，為生物創造新的功能
 • 目前有以微生物生產蝦紅素、複製出古植物的香氛、分解腸道中草酸，以及使用改造後T細胞攻擊癌細胞等應用。
• 基於基因改造的產品可能令消費者擔憂，須建立法律和監管機制，加強公眾教育和參與，才能提高民眾對產業的理解和認同。

 
電影《侏羅紀公園》（Jurassic Park）中，白鬍子老人造型的大老闆⸺哈蒙德（John Hammond）從琥珀中的史前蚊子血液提取出恐龍DNA，再透過生物復刻技術讓遠古恐龍於現代重現。這個電影腳本原型是現實中被稱為「合成生物學教父」的奈特（Tom Knight），而這個白鬍子造型的和藹老人，則是全球知名的合成生物學（synthetic biology）公司Ginkgo Bioworks 創辦人之一，他與他的團隊成功復活已滅絕植物的香氣。
 
魏氏岳槿（Hibiscadelphus wilderianus）於1912年在夏威夷群島上滅絕，這種俗稱「鬼花」的芬芳僅能在文獻記載中品味。然而科學家竟從圖書館的葉片標本中提取出DNA並解析生物資訊，還原出魏氏岳槿的氣味分子相關基因，再轉殖進入酵母菌。終於在21世紀初，魏氏岳槿的獨特香氣重現於世，而這份失而復得的香味也受到香水公司青睞。未來受到全球氣候變遷的影響，許多植物的產量變得不穩定，酵母菌的發酵卻不受天候影響，可持續穩定地生產香味成分。
 

結合工程與生物—合成生物學

合成生物學是一門新興的科學領域，讓我們可以像設計電腦軟體或晶片迴路一樣，設計全新或改寫自然中的生化代謝路徑，並讓被設計過的生物產生特定功能。合成生物學可說是生物領域中的工程學，透過靈活運用生物化學、酵素動力學、分子生物學，以及生物資訊學等多門學科知識，創造出具有特殊功能的生物基因迴路（genetic circuit）。
 
1970年代人類首次利用微生物商業化生產胰島素（insulin）。胰島素調節人體血糖濃度，若失調將造成糖尿病。早期胰島素從動物胰臟提取，不但非常昂貴，還可能引起過敏或免疫排斥。有賴於重組基因技術的發展，科學家將生產胰島素的單一基因片段放入大腸桿菌（Escherichia coli）生產人工胰島素，此後病患就能輕易取得便宜且安全的胰島素，也因此挽救無數人的生命。這是現代科學與醫療的一大進展，也是合成生物學發展的啟蒙時期。
 
近期有鑑於CRISPR-Cas9技術逐漸成熟，愈來愈多合成生物學的應用也跟著出現。有別於CRISPR在特定位置插入或刪除基因，另一項由臺灣中央研究院團隊發明的畢卡索技術（Promoter-based Gene Assembly and Simultaneous Overexpression, PGASO）以單步驟同步轉殖多重基因，就像是安裝應用程式（app），給予細胞完整的代謝途徑基因群，為微生物創造複雜的新功能。
 
掌控多重基因編輯技術後，人類逐漸開始認知到微生物不僅限於發酵的傳統用途，更可以將改造後的微生物視作一種細胞工廠，用來合成一些珍稀或有價值的物質，例如藥物、維生素、抗體、香料，甚至能源。此方法不僅提高天然物的產量和品質，也減少對自然資源的掠奪消耗，從而達到保護環境及永續的目標。
 

合成生物學與細胞工廠

合成生物學這座細胞工廠產出的產品原則上可分為兩種類型：被改造細胞所生產的分離產物，以及被改造的細胞本身。前文提到的香水產品屬於前者，是分離自改造酵母菌製作出的特殊香味分子。接下來，讓我們透過幾個案例了解合成生物學在食、衣、住、醫療等五花八門的應用。
 

細胞分離產物產品

．空氣素肉

新創公司Air Protein以一種特殊微生物氫營養菌（hydrogenotrophs）為基礎，將空氣中的二氧化碳、氧氣、氮氣作為原料，生產出富含蛋白質的粉末，並加工成為「空氣素肉」。這種肉類替代品的胺基酸組成與動物來源蛋白質相近，可以作為良好的蛋白質來源，並免去養殖過程中使用荷爾蒙或抗生素的疑慮。Air Protein的理想是透過此技術，未來在太空環境中為太空旅行的太空人提供源源不絕的蛋白質。
 

．人造漢堡肉

2019年美國漢堡王與公司Impossible Foods首度合作推出素食人造漢堡肉。Impossible Foods製造的人造肉漢堡排是以大豆、小麥、馬鈴薯為原料，並添加含鐵（iron, Fe）的「豆血紅素」（leghemoglobin）賦予肉味，模擬真實漢堡肉所呈現的口感及「流血」的味覺。而這種豆血紅素也不是來自於動物，而是透過合成生物學改造的畢赤酵母菌（Pichia pastoris），將天然大豆植物根瘤中的豆血紅蛋白基因放到酵母菌中，發酵獲得純素食的血紅素。……【更多內容請閱讀科學月刊第650期】