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微生物與健康產業:無所不在的微生物

96/07/05 瀏覽次數 25237
海洋中的藍綠藻(紅色)正被異營細菌(藍色)分解。(圖/Outline of MME Lab, Dr. S. Suzuki.)海洋中的藍綠藻(紅色)正被異營細菌(藍色)分解。(圖/Outline of MME Lab, Dr. S. Suzuki.)
 
禽流感引起的恐慌籠罩著全球,而在經濟全球化的同時,世界各地的微生物也藉著全球旅人的遷移展開無國界的旅程。例如SARS原本是中國區域性的傳染病,但藉由各式交通工具的散布而成為全球性的災難。若當時發生大規模的感染,預測會比1918年第一次世界大戰後的「西班牙流行性感冒」,侵襲了全球五分之一人口的慘痛經驗來得更為嚴重。到底是何方神聖造成如此世界性恐慌呢?

在生活環境中,例如空氣、水、食物等,充滿著千百種、億兆個的微生物,它們無法以肉眼看見,卻幾乎無所不在。這些必須在顯微鏡下才現形的微小生物統稱為微生物,包括病毒、細菌、藻類、真菌、黴菌等。
 
微生物第一次被發現:列文虎克觀察雨水
 
人類第一次知道微生物的存在,是在四百多年前由荷蘭小雜貨店商人列文虎克(Anton van Leeuwenhoek,或譯為雷文霍克),透過自製顯微鏡觀察到雨水中有微小的生物。自發現細菌後,科學家開始對微生物產生興趣,思考周遭一些在那個時代認為理所當然的事,例如煮過的肉湯為何還會有細菌孳長。因為沒有人可以具體描述微生物,所以各自以觀察到的想法推理,因而衍生出「自然發生說」與「反對自然發生說」兩派理論。

直到一百多年後,約19世紀左右,年輕的法國化學家巴斯德以鵝頸瓶實驗,推翻了微生物會自行產生的學說,重新開啟細菌學研究的大門,他也因此被推崇為細菌學的始祖。在19世紀這個科學萌芽的時代,產生了許多互相競爭的科學,也因為開放的討論,讓微生物及相關知識的累積遽增。
 
列文虎克(左)與巴斯德(右)的畫像。(圖/張雅鈴繪)列文虎克(左)與巴斯德(右)的畫像。(圖/張雅鈴繪)
 
在19世紀中葉前,中西方對於疾病發生的原因仍然眾說紛紜,直到19世紀末,才陸續證明許多疾病與微生物的關係。爾後研究工具如電子顯微鏡等的陸續發明,許多與微生物相關的學問開始大幅進展,包括基礎研究上的遺傳學、分子生物學、免疫學、公共衛生等,以及工業應用上的食品科技、發酵工業、能源替代等。

根據研究,在每平方公分的廚房工作檯面上,可培養出300個細菌;浴廁的水龍頭把柄上,可培養出1萬個細菌;在廚房的抹布上,每平方公分更可培養出1億個細菌。細菌是地球上最古老的生物,分布廣泛,大部分的大小介於0.5到1微米之間。

至今所知最大的細菌,是由德國麥斯賓克海洋微生物學院的生物學家舒爾斯(Heide Schulz),於1999年在非洲的納米比亞海岸發現的。其菌體成圓球狀,最大的直徑有0.75毫米,體積是一般細菌的數百萬倍,肉眼可見。因為排列成鏈狀,發出閃亮的白色,看起來很像珍珠項鍊,所以命名為Thiomargarita namibiensis,意思是「納米比亞的硫磺珍珠」。這種細菌的細胞內充滿空泡,可以儲存大量養分,細菌本身也可透過調整空泡大小改變密度,以控制其在水中升降覓食,有如一部升降機。
 
微生物只會讓人生病?其實對人類有重大貢獻
 
微生物分布廣泛,從冰冷的北極到熾熱的深海火山岩噴口,都可以找到其蹤跡。還好大都對人體無害,甚至許多微生物還是有益菌。在一般人觀念中,微生物會感染各種動、植物,引起病變甚至導致死亡。然而考量微生物對大多數動、植物及人類所做的有益貢獻,可說是瑕不掩瑜。

以溫泉中發現的嗜熱細菌為例,為適應高溫的環境,這種細菌的蛋白質結構必須不會變性,在高溫下的生化反應才能正常進行。嗜熱細菌的研究造就了分子生物學中一項非常重大的革命,即DNA聚合酶連鎖反應(polymerase chain reaction , PCR)技術的成功發展。PCR是一個利用DNA聚合酵素在試管內大量合成特定基因的技術,為分子生物領域帶來不少的震撼和影響,大大地加速了生物科技研究的腳步。
 
嗜熱細菌的研究造就了分子生物學中一項非常重大的革命,即DNA聚合酶連鎖反應技術的成功發展。(圖/flickr)嗜熱細菌的研究造就了分子生物學中一項非常重大的革命,即DNA聚合酶連鎖反應技術的成功發展。(圖/flickr)
 
使PCR技術成功的關鍵物質,就是嗜熱細菌體內的DNA聚合酶。事實上,這個關鍵物質是由一位來自臺灣的研究生於1976年在美國攻讀碩士學位時發現的。他發現由黃石公園溫泉分離出的嗜熱性細菌,其DNA聚合酶具有耐高溫的特性。這份論文後來被Cetus公司的米利斯(Kary B. Mullis)所應用,並在1988年改以溫泉菌分離的DNA聚合酶進行PCR的方法重新發表。

這項技術使他獲得了1993年諾貝爾化學獎,是近年來分子生物領域的重大成就。若沒有這些特殊環境下生存的微生物所衍生的「特殊工具」,人類基因解碼可能還遙遙無期呢!

微生物與我們日常生活息息相關,古代為了保存多餘的食物,各民族都發展出各種利用微生物醃漬或發酵的方法,以抑制因壞菌生長可能造成的食物腐敗,並可增添食物的美味及提升營養價值。除了大家熟知的優酪乳、葡萄酒是利用微生物發酵技術生產外,也許您還不知道,巧克力的顏色及美味也是一群微生物的傑作。

巧克力是以可可豆為原料,可可豆莢打開一段時間後,微生物會在豆莢內的黏液物質中開始繁殖發酵。初期是酵母菌把糖分轉化為酒精,並分解果膠,降低苦味物質。當發酵至一定的酒精濃度時,酵母菌會逐漸死亡,取而代之的是乳酸菌類細菌繼續繁殖發酵。然後把豆子乾燥,再由黴菌接棒繼續發酵。最後以高溫烘焙方式殺死微生物,就成為製作巧克力的原料,它具有特殊色澤、濃郁獨特的香味,為人們生活帶來了浪漫的享受。
 
微生物在各產業扮演的角色
 
農漁產業

在土壤中無以計數的微生物,日以繼夜地分解地面上各種動植物屍體,把各種有用的礦物質及有機物質重新送回大自然,再次提供其他生物循環利用。這些微生物包括根瘤菌,又稱共生性固氮菌,能夠幫助固定大氣中的氮元素,讓植物從土壤中吸收硝酸離子以合成胺基酸,可以減少肥料用量及增加植物收穫量。另外,枯草桿菌可產生長期存活的內生孢子及抗生物質,可以與土壤中的致病菌長期競爭生長,誘導植物產生抗病性,進而降低農藥的使用量,達到防治植物病害及促進植物生長的目的。
 
植物與根瘤菌的共生關係。(圖/Online Biology Book, Mike Farabee, Ph.D.)植物與根瘤菌的共生關係。(圖/Online Biology Book, Mike Farabee, Ph.D.)
 
在河川及海洋中,有些微生物可以幫助分解各種污染及廢棄物,達到淨化水質的目的。因此可以應用在養殖漁業上,例如混合使用芽孢桿菌群、光合菌、硝化菌等,除了可以分解魚池中殘餘的魚飼料及魚排泄物,解決養殖場所水質污染的問題外,也可以抑制水產養殖業致病原菌群的生長,提高養殖業漁獲量。

生物復育

生物復育(bioremediation)或稱生物整治、生態復育,主要是利用微生物的代謝活動來減少污染地區污染物的濃度,或降低其毒性。利用生物復育最大的特點是可以對大面積的環境污染進行整治復育,目前最常應用於石油污染及農田農藥污染的整治上。生物復育最著名的成功案例是在1989年,美國愛克森石油公司的運油船在阿拉斯加擱淺,造成一千多萬加侖石油外洩並污染海洋。

愛克森公司使用微生物進行油污分解清除,使得近百公里的環境得以免遭荼毒。另外,有些生物科技公司專門篩選以有毒污染物或重金屬為食物的微生物,來解決農田或地下水污染的問題。例如美國化學學會就提出利用細菌清除農田鎘污染的方案,利用微生物把土壤中可溶性鎘吸收轉化為不可溶的沈澱物,如此就不會被農作物吸收,也可降低地下水的污染。

發酵產業

利用微生物進行發酵生產,其實很早就出現在人類的歷史中了,像是乳酪、酒類、麵包的製作等。但是微生物發酵工業的大規模發展,則是在第一次及第二次大戰期間,利用微生物發酵和類似的科技,製造軍備相關的化合物,以及第二次大戰後用於大量抗生素的生產。此外,目前又因為石油價格日益高漲及潛在的短缺問題,傳統的微生物發酵再度引起人們的興趣。

近年來不論是化工或食品產業,許多原料多以發酵技術大量生產,只要投入的菌株適當,就可以得到想要的產物。例如以納豆菌發酵生產納豆菌和納豆激酶,或是純化後可以得到聚麩胺酸;酵母菌發酵產物可以是酒類或大家耳熟能詳的化妝品SK-II 的酵母培養液Pitera;枯草桿菌發酵所得代謝物質含有可用於醫藥的抗生物質、蛋白質分解酵素、油脂分解酵素、澱粉分解酵素等,這些產物也可以應用於食品添加、清潔及化妝用品中。

運用微生物發酵有許多優點,除了菌種多樣性之外,生產的速率快,單一產物的回收也較容易,因此能提高有效成分的濃度,且品質穩定度也易調控。最重要的是由於所有發酵產物都是天然來源,健康及安全性更有保障。

醫療產業

抗生素是1928年佛萊明在一個偶然的機會下發現的。當時他正在研究葡萄球菌,放長假前,他把塗布有細菌的培養皿堆置在實驗室,度假回來後,同事發現培養皿被黴菌污染,但是黴菌周圍卻沒有細菌生長。對於這個現象,佛萊明猜測是黴菌產生了一種抗菌物質,透過培養基向外擴散,導致周圍的細菌無法生存。

後來佛萊明以黴菌抽出物質處理細菌,發現確實可以殺死細菌,因為抽出物質來自於學名是Penicillium notatum的微生物,所以把這物質命名為盤尼西林(Penicillin)。抗生素是微生物的二次代謝物,並非其生長所需,但抗生素可以選擇性地滅殺病原菌,且不會對宿主造成傷害,因此又稱為「魔術子彈」。到目前為止,許多抗生素都還是以發酵方法生產。
 
利用微生物拮抗特性,加入有益微生物培養後,病原菌被抑制無法生長。利用微生物拮抗特性,加入有益微生物培養後,病原菌被抑制無法生長。
 
人類對生活品質及生活水準要求日益提高,在大部分人類可以豐衣足食的狀態下,進一步希望可以藉由科學的力量達到更理想的生活,生物科技產業的發展於是應運而起。生物科技的進步迅速,帶動與生物醫藥相關的產業,如生技醫藥、食品、醫療器材、環保等產業的快速成長。由於微生物有迅速大量生產的特點,在新一波的產業成長中將扮演非常重要的角色,以後人類和微生物的關係會更密不可分,它不僅在我們的環境中無所不在,且將遍布於各種產業中。
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