謝欣如、黃雯婕、李麗梅、鄭嘉俊、陳幸德 / 工研院材化所
木質纖維素是一種豐富的有機資源物，在生物燃料與化學生產方面具有值得開發的潛力，然而其複雜頑強的外部結構，大幅阻礙生物轉化為生物燃料和高值產品。在瘤胃等自然系統中，不同的微生物群落通過物理滲透與酶協同作用，可增強木質纖維素降解活性，促進細菌、真菌和原生動物的纖維素降解與纖溶活性，提高與產甲烷菌之間的合養關聯，生產甲烷、氫氣和揮發性脂肪酸。開發瘤胃類比生物反應器具未來發展前景，可將木質纖維素有效進行生物轉化為生物燃料和化學品。
【內文精選】
木質纖維素生物質厭氧消化中的仿生學
反芻動物的瘤胃仿生學(Biomimetics)是一個新興領域，它結合了自然生物過程和結構，以創造新技術和所需的產品。與熱化學預處理的木質纖維素生物量相比，利用仿生反芻策略，可增強木質纖維素生物量的增溶性。將反芻動物消化策略(Ruminant Digestion Strategies; RDS)仿生為厭氧消化(Anaerobic Digestion; AD)，可使木質纖維素生物質有效進行生物轉化(Bioconversion)。模仿物理處理與醱酵相結合，可使木質纖維素增溶性提高約7%。從瘤胃(Rumen)中的共生微生物群落發展出一系列用於降解植物多糖成分的酶，將木質纖維素降解為纖維植物多糖，轉化為可醱酵的糖(圖一)。
圖一、瘤胃微生物的木質纖維素降解和代謝途徑
RDS的仿生學是對木質纖維素生物質轉化具有高潛力的方法(圖二)，糖通過醱酵細菌和厭氧真菌醱酵成揮發酸(Volatile Fatty Acid; VFA)，例如乙酸、丁酸、丙酸和正戊酸，這些VFA在瘤胃上皮細胞中被吸收利用以產生能量。應用仿生學設計厭氧生物反應器和生物程序，對瘤胃微生物功能深入瞭解是進行木質纖維素厭氧消化(AD)的關鍵。
圖二、RDS應用於生物反應器生產生物燃料和高價值產品
仿生設計的生物程序與厭氧消化反應器的功能穩定性
雖然瘤胃微生物參與木質纖維素的脫聚、醱酵和產甲烷活性，但可作為生物強化劑的瘤胃微生物卻尚未被充分利用，其原因有多種，例如大多數瘤胃微生物未能增殖培養，其功能、結構與其他微生物群的相互作用以及代謝途徑未能得到充分開發。瘤胃微生物將為微生物操作、設計和優化木質纖維素的AD方法，提供新的仿生設計思考方向，因此，透過利用新興的宏基因組學(Metagenomics)、轉錄組學(Metatranscriptomics)、蛋白質組學(Metaproteomics)和代謝組學(Metabolomics)，將能解析出更多的瘤胃微生物結構和功能性，以大幅提升其應用的價值。
①宏基因組學是下一代測序平臺的延伸發展，其能促進對微生物群體在不同環境中的功能和組成之理解，使用16SrRNA對微生物進行表徵分析，可評估瘤胃細菌生物多樣性的影響。
②蛋白質組學是獲得瘤胃微生物多樣性實際表達模式的另一種有用方法，是鑑定蛋白質並研究其定位、功能、修飾和潛在相互作用，以及蛋白質複合物的有效工具，顯示參與核心代謝途徑蛋白質的存在，例如糖酵解、蛋白質合成、糖異生和電子運輸。
③轉錄組學發展成為估計瘤胃微生物組功能(基於RNA)活性的強大工具，由於mRNA占總瘤胃微生物RNA的一小部分(通常為10%)，因此通常在生物資料庫構建之前進行mRNA富集，以提高mRNA測序深度，捕獲更多轉錄樣本數量，已被廣泛接受為研究代謝活性微生物群落的可靠方法。
④代謝組學採用氣相色譜–質譜(GCMS)和液相色譜–質譜(LC-MS)等技術來分析生物材料(即組織或生物流體)中的各種小分子酶，如核苷酸、氨基酸、脂質、有機酸等。這些技術還可用於研究環境因素、疾病或基因型對代謝組學的影響。GC-MS方法比LC-MS方法更能有效地分離代謝物，但它需要在分析前對代謝物種進行合成衍生化。另一方面，LC-MS可以檢測出更多數量的完整代謝物，而無需化學修飾。此外，質譜與液相色譜結合是非靶向代謝物分析實驗的重要技術，提供對所有可測量分子的詳細分析。使用代謝組學可研究飲食對將宿主基因型，以及飼養牛的有效表型聯繫的影響，主要目標是理解植物提取物對瘤胃功能的影響，並闡明飲食變化對瘤胃功能的作用，在反芻動物中，飲食變化導致微生物群落轉移到更合適的微生物結構，以消化膳食化合物和醱酵特性---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
★本文節錄自《工業材料雜誌》432期，更多資料請見下方附檔。