桂冠獎精選
2013年文章
2014年文章-1
2015專題入選文章
2014年文章-2
2015年文章
2016年文章
2017年文章
2018年文章
2019年文章
2020年文章
首頁 > 熱門文章 >
用甘蔗發動你的車 熱門指數 : 351
作者: piggy
中文名稱: 用甘蔗發動你的車   | 第二版 | 第一版 |
關鍵字: 生物燃料、生物柴油

  最近天氣越來越熱,想騎摩托車出門買杯冰冰涼涼的手搖杯,但卻因為空氣污染越來越嚴重,即使沒有感冒也戴上口罩。本來以為騎車該有的涼爽微風卻變成令人畏懼的陣陣熱浪,到了店門口,一拿下口罩即汗如雨下。於是心裡開始默默擔心,全球暖化好像越來越嚴重了……。
  細究全球暖化的主因,人類的影響主要包括大量排放二氧化碳、甲烷及一氧化二氮,大量排放的這些溫室氣體將會吸收來自地球發射的紅外線輻射,一般來說這些輻射將能穿透到外太空,被溫室氣體吸收後就像替地球蓋上一層厚厚的棉被,地球將難以降溫。而這些溫室氣體像是二氧化碳最主要的排放來源即是化石燃料的燃燒,也因此我們必須比現在更有效率的使用這些化石燃料。
  相對於傳統化石燃料,科學家們提出了許多相對「更乾淨」、「排放二氧化碳更少」的綠色能源,其中,生物燃料(biofuel)也被視為極具潛力的環保能源。
生物燃料是什麼呢?生物燃料又稱為生質燃料,泛指主要由生物質(biomass)為主要成分的燃料,例如在印度許多較為貧困的家庭在沒有瓦斯及加熱設備可用的環境下,會將牛糞拿來燃燒以產生熱能,這就是生物燃料的一種。而目前我們最常拿來作為生物燃料的物種包括像玉米、黃豆等含糖量極高的農作物以發酵的方式生產酒精燃料,另外即是以含油量高的油菜籽等以提煉的方式生產生物柴油。然而這類型生物燃料的發展正面臨許多困境,包括大量挪用耕地耕種這些生物燃料的植物時,將導致沒有足夠耕地用來生產作物的情形,造成食物與燃料之爭(food vs. fuel)的難題。另外,其實有些生物能量其實沒有想像中環保,例如為了種植玉米所需要使用到的水資源及化學肥料並不符合成本,反而會產生更多的二氧化碳。
  針對這些問題,科學家們提出一個可行的解決方案,受限於土地面積的有限性,若能提高植物生產生物燃料的產率,使單位面積的生物燃料產量增加,便能創造相對環保且永續的生物燃料生產平台。
我們都知道三酸甘油酯是富含還原態碳原子所形成的分子,因而成為自然界中攜帶能量的重要分子,同時也是植物儲存能量的主要形式。一般來說,我們可以藉由將脂肪酸鏈(acyl chain)轉換為脂肪酸甲酯(fatty acid methyl ester)而作為生物柴油的原料。然而植物體中三酸甘油酯的合成涉及多種不同酵素,包括在一開始碳源送入內質網合成組裝後會以油滴(oil body, oil drop)的形式釋放到細胞質,之後則會根據細胞需求運送至膜上或送至過氧化體中代謝分解,如何找到適合的調控位置有效提高植物體內三酸甘油酯的含量變得相對困難。
  科學家在過去幾十年間針對植物體內三酸甘油酯代謝途徑的相關基因做了不少研究,主要是針對阿拉伯芥、菸草等模式植物進行研究。而主要研究的基因包括WRI1、DGAT、OLE1、AGPase、PXA1等。WRI1是植物調控油脂合成的關鍵轉錄因子,若將WRI1的表現量提升,則可以讓阿拉伯芥種子內的含油量跟著提升。DGAT則是催化三酸甘油酯合成途徑中關鍵步驟的酵素,主要功能是使二醯基甘油(diacylglycerol)接上脂肪酸(fatty acid)而合成出三酸甘油酯。同樣若將DGAT表現量提升,也可以將菸草葉子的含油量提升。OLE1可以用來穩定油滴的結構防止油滴瓦解。AGPase是植物合成澱粉時的關鍵酵素,如果抑制該基因表現,就可以使原本用來合成澱粉的碳源重新分配而用於三酸甘油酯的合成。PXA1則是過氧化體運輸脂質的通道,抑制該基因表現就可以避免多餘的三酸甘油酯被運送至過氧化體並經由β-氧化(beta oxidation)的方式分解。
  於是尚克林(John Shanklin)及艾皮特(Fredy Altpeter)兩人以甘蔗作為研究對象,為了提高植物中三酸甘油酯(triacylglycerol)的含量,他們利用基因工程(genetic engineering)的方式將甘蔗原來的代謝途徑修改而趨向於合成並累積三酸過油酯,以提升生物燃料的單位產量,為生物燃料的應用展開新的展望。
他們的做法是利用基因轉殖(genetic engineering)的方式修改甘蔗細胞原有的基因體,並使其趨向三酸甘油酯合成的方向。而基因轉殖就是一種利用生物技術修改生物基因體的技術,大致步驟是首先利用DNA限制酶(DNA restriction enzyme)將生物體基因及欲插入基因(通常是質體)做相同切割,就像將木頭丟進機器裡才切成同樣大小的木塊,如此一來才能黏接得比較穩固。再利用DNA連接酶(DNA ligase)將木塊黏在一起,並將完整的基因體送入宿主細胞,如此便能使宿主大量表現目標基因。
利用這個方式,我們可以將成功大量表現WRI1、DGAT、OLE1這些基因的質體及抑制AGPase及PXA1表現的質體同時轉入轉植株內,並測量該轉殖株莖部及葉部的三酸甘油酯、脂肪酸、蔗糖及澱粉含量,創造出單位密度生物燃料極高的基因轉殖甘蔗。
  這個轉植株甘蔗的油脂含量在莖與葉的含量分別可增加原植株的11至37倍及31至77倍。這種特性也留在植株的子代,也就是在子代的莖與葉中也發現相較於原植株更高的三酸甘油酯含量。
  這些發現將可以不只應用於甘蔗中,同樣可以用於其他生產生物燃料的作物當中,提供利用基因轉殖方式提高植物含油量的可能性。同時,生物柴油也一直面臨是否能取代石化能源的考驗,以現今相關研究,或許在實質應用層面上生物柴油和石化柴油不相上下,然而最重要的成本,石化柴油則遠遠低於生物柴油。也因此,若能提高生物柴油的單位產量,便能有效降低生物柴油的生產成本,並提供一個極具可行性及未來展望性的生物柴油來源。
  參考資料:
1. Vanhercke, T., et al. (2014) Metabolic engineering of biomass for high energy density: oilseed-like triacylglycerol yields from plant leaves. Plant Biotechnology. J. 12, 231-239.
2. Fredy, A., et al. (2016) Metabolic engineering of sugarcane to accumulate energy-dense triacylglycerols in vegetative biomass. Plant Biotechnology. J. 14, 661-669.
老師文章總評: 這樣已經很好,如果觀點可以更全面會更上層樓。  
建議項目: 接受  
 
線上留言版
Copyright ©2013 財團法人國立自然科學博物館文教基金會 版權所有 │ 地址:40453 台中市北區館前路一號 │ 電話:04-23226940#232 │ 傳真:04-23266824 │ 隱私權宣告
建議使用I.E.6.0或Firefox1.0 以上1024x768 Pixels 解析度瀏覽本網站 | E-mail:foundation@mail.nmns.edu.tw | 瀏覽人數 : 218074