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「可設計」生命的時代：PGASO合成生物學技術

104/03/20 7857

張瑞仁｜中央研究院生物多樣性研究中心

合成生物學（synthetic biology）是「後基因體學時代」生物科技的新興領域，以分子生物學為基礎卻跳脫既有思考模式的研究方法，給許多科學領域帶來思考研究策略的新面向。在地球環境破壞、資源珍稀、科學上許多問題急待有效解決的共識之下，其發展對於人類文明的延續具有特殊意義。合成生物學國際上相關研究正處於萌芽階段，隨著世界各國先進的研究團隊的相繼投入此領域而快速發展，成為新興生物產業技術革命的重要推手，因此被視為是人類史上繼農業革命與工業革命後最重要的產業革命。台灣科學家在這一波科技革命浪潮也不缺席，發展出自己的原創技術，突破傳統只能進行單一或數個小規模基因轉殖的限制，在基因體中設計新的代謝途徑所需之完整基因群。換言之，細胞已進入「可設計」生命的時代。

合成生物學是一種可對生物基因體進行設計建構或對天然生物系統之重新設計的嶄新科學。細胞可視為生技產業的微型工廠，若其內部的基因迴路（genetic circuit）可配合需要隨意設計組合，不論是醫療、藥物、能源、特化物、生物性固定二氧化碳、綠色生產等製程將會徹底改觀，足見其會被視為新的產業革命的理由。傳統多基因共表現研究均使用多個載體與多個篩選標記（抗生素）之構築方法，其缺點是載體與篩選標記系統有限，且構築技術困難耗時費工無法大量推行應用。

為了進行大規模基因體工程，發展可同時引入多重基因於一基因體中的高通量方法是必要的。由中研院生多中心主任李文雄院士、中研院農生中心施明哲主任、中興大學生科中心黃介辰主任以及中國醫藥大學附醫醫研部張瑞仁副研究員等人所組成的研究團隊，發展了一種依賴啟動子序列進行大規模基因重組方法的構想。

研究團隊將此合成生物學技術平台命名為PGASO（Promoter-based Gene Assembly and Simultaneous Overexpression），其目標是透過可設計基因體的技術，配合生物資訊的背景知識來進一步構築新的基因迴路，賦予一個細胞新的功能以製造本來無法製造的產物。此技術有四項基因工程優勢：一、可單步驟將多基因轉形至一基因體中；二、啟動子上游的特定序列如基因密碼鎖般可應用在異源的基因以預設的順序集合；三、基因卡匣組擁有各自獨立的啟動子，可同步調控表現；四、適用於任何可藉由同源重組工程改造的細胞，這項執行簡單、成本較低的合成生物學技術平台，受到學界矚目。

PGASO正如同畢卡索的創作精神一般，可將抽象的生物資訊轉變為具體的作品。研究團隊使用生物安全的物種建構了一個可生產昂貴天然物的「益生菌細胞工廠」。設計了一個低耗能代謝路徑的基因迴路，用以生產正確構型且具高效抗氧化的酯化蝦紅素。藉由高科技及低成本大規模生產，未來只需利用少量空間與時間即可量產蝦紅素, 因此在2014年獲得由社團法人國家生技醫療產業策進會頒發第十一屆國家新創獎。此外,以藻β-胡蘿蔔素羥化酶基因融入酵母中的類胡蘿蔔素生物合成途徑增加類胡蘿蔔素產量及以耐熱和毒素的菲爾酵母進行生物煉製和生產生物燃料都顯示生產合成生物學將為國際天然化合物生產的新里程碑。(本文由科技部補助「健康醫藥新媒體科普傳播實作計畫II 103-2515-S-214-002」執行團隊撰稿)

責任編輯：王秀育
審校：王秀育

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