合成生物與生質特用化學品的未來趨勢

 

刊登日期:2017/8/5
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合成生物(Synthetic Biology)結合基因工程、系統生物學、生物科技(Biotechnology)、奈米技術、機電工程等領域,提供發展綠色能源、低碳經濟以及環境治理所需的技術(表一)。在綠色能源的應用上,合成生物透過改質微生物(Microorganisms),轉化有機物質為生質燃料。在2010年生質燃料已提供2.7%全球陸上運輸燃料,其中主要是生質乙醇以及生質柴油。國際能源組織計畫在2050年以生質燃料替代29%全球交通燃料。除了生質燃料,根據Abolis Biotechnologies總裁Cyrille Pauthenier在2016年歐洲工業生技會議(European Forum for Industrial Biotechnology; EFIB)初步估計,目前現有的化學品中大約30%可以改用合成生物技術來生產。歐美化學大廠如BASF、DSM、AkzoNobel、Croda近年來也投入生質大宗化學品的開發與生產,並應用於生質塑膠、塗料、纖維助劑、人造皮等生質聚合物產品。

表一、合成生物的應用層面
表一、合成生物的應用層面

合成生物提供製藥新技術
黃花蒿(Artemisia annua)中的青蒿素(Artemisinin)對於治療瘧疾十分有效;但黃花蒿從種植到收成需要八個月,產地又大多侷限在中國、越南與東非。不管植物萃取或者化學合成,青蒿素的成本都十分昂貴,在2005~2008年期間每公斤植萃青蒿素的價格在120~1,200美元之間,真正需要抗瘧藥物的非洲與南美洲貧困人口根本負擔不起。在Bill & Melinda Gates Foundation的協助下,2006年柏克萊加州大學的J. D. Keasling與他的研究團隊以及美國生技公司Amyris共同合作,成功地改良酵母菌(Saccharomyces cerevisiae)中的甲羥戊酸路徑(Mevalonate Pathway),並植入黃花蒿的Amorphadiene Synthase(ADS)和新型細胞色素P450單氧化酶(Cytochrome P450 Monooxygenase, CYP71AV1/CPR),使酵母菌能夠大量生產青蒿素的前驅物青蒿酸(Artemisinic Acid)(圖一),大大縮短了生產青蒿素的時間。

生質香精油
除了青蒿酸外,Amyris也利用酵母菌中改良過的甲羥戊酸路徑發酵生產C5~C15不同鏈長的碳氫化合物,以此作為可廣泛應用的加值生質原物料(圖二)。瑞商Evolva和Amyris一樣也是利用改質酵母菌,生產大多應用於食品與化妝品的生質香精油,如香草精(Vanillin)、白藜蘆醇(Resveratrol)、諾卡酮(Nootkatone)、橘子香精(Valencene)等。在大自然中產油的微生物大多以藻類和真菌為主,目前國內經過衛福部核准已商品化的微生物生質油有γ-次亞麻油酸(γ-Linolenic Acid; GLA)及花生四烯酸(Arachidonic Acid; ARA),分別由卷枝毛黴(Mucor circinelloides)及高山被孢黴(Mortierella alpina)兩種真菌生產。透過合成生物代謝路徑改質技術,現在也可利用生長速度較快的細菌以及酵母菌來生產油脂,還可以使菌種生產特定的油脂及提高產量,簡化萃取製程。由於微生物不受氣候季節影響,並可利用有機廢棄物為培養基質,或以固態方式發酵,有助環保並且減低生產成本。

圖二、合成生物改質微生物生產高值化學品的多樣性
圖二、合成生物改質微生物生產高值化學品的多樣性

生質合成纖維
隨著全球人口成長,每年全球對於纖維的需求也持續地增加,根據初步的計算2016年全球纖維需求量有9,900萬公噸,其中以石化合成纖維為大宗,占62.7%;天然纖維如棉花(24.3%)、木質纖維素纖維(6.6%)、羊毛(1.1%)以及其他天然纖維(5.3%)只占小部分。為了減低石化產品的使用,生質材料(Bio-based Materials)合成的纖維將會是未來的趨勢。近年來生質合成蛋白纖維最新的技術突破則是人造蜘蛛絲;蜘蛛絲的強度勝過已廣泛應用在防彈裝備上的克維拉(Kevlar)纖維,但限於蜘蛛養殖與抽絲不易,所以蜘蛛絲一直難以商業化。現在透過合成生物的技術,將蜘蛛絲蛋白的基因植入大腸桿菌或者蠶,除了混合蠶絲與蜘蛛絲外...…以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。

作者:林柏奇 / 工研院材化所
★本文節錄自「工業材料雜誌」368期,更多資料請見下方附檔。


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