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破囊壺菌

破囊壺菌生長在含有鈉鹽的水生環境中,牠們的分布局限在海洋、河口和鹽湖內。大多數是自由生活的物種,和一般的異營性細菌一樣,靠分解來自其他生物的有機質為生,是海洋生態系中重要的分解者之一。在純人工的條件下,大量培養破囊壺菌可以生產高單價的DHA、類胡蘿蔔素、酵素等物質。
 
 
 
何謂破囊壺菌

破囊壺菌的名稱和牠們的細胞形態及生活史有關。1936年,Sparrow由海洋藻類的表面分離出一種新的單細胞生物,牠們的外觀形態像「破囊菌」,然而釋放孢子的形式像「壺菌」,因此命名為「破囊壺菌」,並且在壺菌目下創造一個新的屬—破囊壺菌屬。

由於壺菌目的物種都是水生真菌,因此破囊壺菌在往後很長一段時間,也理所當然地被認為是一種真菌。直到最近,在許多新的生物化學和分子生物學研究資料的佐證下,才把破囊壺菌重新歸類在「不等鞭毛類」的分群。

不等鞭毛類包括矽藻、等鞭金藻、褐藻等「雜色藻類」的物種,是具有鞭毛的單細胞藻類;或者是在生活史中,會出現具有鞭毛的孢子或配子的單細胞或大型藻類。牠們的兩根鞭毛的形狀不一,其中一根像水管,外表光滑,另一根則像羽毛,在鞭毛的主幹上,多出兩排側生的鞭毛絲結構,這也是這群生物被稱為「不等鞭毛類」的原因。

雖然破囊壺菌最後證明和雜色藻類,而非和真菌,具有近似的親緣關係,也因此有學者把這群生物稱為「異營性」的藻類(也就是不會行光合作用的藻類),但至今還是按照原本「錯誤」的命名來稱呼。

破囊壺菌需要生長在含有鈉鹽的水生環境中,使得牠們的分布局限在海洋、河口和鹽湖內。牠們大多數是自由生活的物種,和一般的異營性細菌一樣,靠分解來自其他生物的有機質為生,是海洋生態系中重要的分解者之一。在有紅樹林或家庭汙水排放的海域,特別容易發現牠們的存在。此外,在大型海藻和一些無脊椎生物,例如海綿和珊瑚礁的表面,也很容易發現。有少數的種類會生活在海綿、珊瑚和貝類體內,與這些無脊椎動物形成共生或寄生的關係。不過,目前對於這種共寄生現象的了解仍十分有限。

破囊壺菌的應用

近年來,研究者在野外的棲地分離出越來越多的破囊壺菌,在純人工的條件下大量培養後,用以生產一些高單價的物質,例如22碳6烯酸(docosahexaenoic acid, DHA)、類胡蘿蔔素、酵素等。

22碳6烯酸 22碳6烯酸(DHA)是一種重要的營養成分。世界衛生組織建議普通人每天的食用量是220毫克,懷孕和哺乳期間的婦女則需要提高攝取量(不應低於300毫克),原因在於胎兒和嬰幼兒的大腦和視網膜的發育需消耗大量的DHA;其中胎兒會透過母體的血液和胎盤,嬰幼兒則會透過母乳取得DHA。也因此,懷孕和哺乳期間的婦女若沒有攝取足夠的DHA,輕則引起產後憂鬱症,重則影響胎兒和嬰幼兒腦力及視力的成長。

對於其他成年人而言,DHA的足量攝取除了有助於避免失智和憂鬱症的發生外,也有助於減緩一些慢性疾病,例如心血管疾病、癌症和關節炎的症狀。

海鮮類,特別是一些富含油脂的海水魚,例如鮪魚、旗魚、鯖魚、秋刀魚、鮭魚等都富含DHA,是良好的DHA來源。然而這些魚類也特別容易受到多氯聯苯、戴奧辛和重金屬的汙染,原因在於這些汙染物具有難分解和脂溶的特性,當排放到海洋環境中時,很容易被微生物吸收,同時經由食物鏈的傳遞累積在較高階層的魚類中。通常越大、越是位在食物鏈頂端的魚種,含毒量也越高,這是美國食品藥物管理局(FDA)呼籲懷孕期間的婦女儘量不要食用大型海水魚類,以免胎兒出現畸形的原因。

海水魚本身並不會製造DHA,牠們的油脂中富含DHA的原因,和含有重金屬的原因十分類似。海洋生態系中真正能合成DHA的生物是細菌和藻類,這些DHA並不會被消化,也具脂溶性,因此會和重金屬一樣經由食物鏈的傳遞,累積在海洋魚類乃至於大型哺乳類,例如海豹身上。也因此有人認為,既然DHA來自這些海洋微生物,何不由牠們提煉就好?這樣的想法立意雖佳,在執行上卻有一定的困難。

首先,這些海洋微生物的個頭很小,在天然環境中的密度也不高,很難透過天然採收的方法取得足夠的藻體提煉DHA。其次是並非所有的品種都能食用,比方說許多渦鞭毛藻雖然富含DHA,但是也含有毒素。換言之,只有少數無毒、具高DHA產能,且能夠在人工環境中高密度培養的微生物種,才有資格用來生產DHA。

破囊壺菌,尤其是隸屬於裂殖壺菌的這一個分群,是目前公認最適合量產DHA的微生物。牠的優勢在於生長速率夠快、DHA含量夠高、量產成本夠低(可利用便宜的有機質,例如葡萄糖和啤酒酵母培養),並可在低鹽度下成長,大幅降低培養過程中,對於不銹鋼發酵槽體和金屬管路造成銹蝕的程度。

在20世紀末,美國的Omegatech公司成功開發出量產裂殖壺菌的技術,由此所獲得富含DHA的裂殖壺菌油脂,於2002年取得FDA的營養保健品認證,開始上市,食用限制條件是每天每人的食用量不得超過6公克。

Omegatech在2002年被另一家美國公司Martek併購之後,在2004年,它的裂殖壺菌油脂的產品通過FDA的Generally Recognized As Safe(GRAS)認證,即可在適當用量的規範下,做為一般的食品原料或食品添加劑使用。2010年,裂殖壺菌油脂也被美國農業部認定為安全的家禽、家畜飼料添加劑,正式由食品業跨足養殖業。

利用破囊壺菌生產DHA的生物科技產業在全球正方興未艾,主要的原因除了已在美國市場成功推廣之外,更重要的是這類產品相對於傳統的魚油而言,確實有DHA含量較高、汙染疑慮較低、較無腥味和非葷食屬性的優點。縱然生產成本遠高於魚油,然而在孩童、孕婦、老年人和素食主義者的消費市場方面仍有競爭優勢。

在歐洲,德國的Nutrinova Process 公司於2003年成功利用另一種破囊壺菌—吾肯氏壺菌—製造出一種名為「DHActive」的油脂產品,和Martek競逐歐盟市場。而在中國,也已有數家頗具規模的公司具備量產裂殖壺菌的能力。同時風聞某集團已和內蒙的一家乳業公司達成協議,將提供生產的裂殖壺菌油脂,做為添加在兒童保久乳產品中的DHA配方,希望能以「促進智力成長」的訴求,吸引中國龐大的兒童消費者族群。

台灣的起步則稍晚,已知有兩家微藻生技公司投入這個領域,但產品都未上市。其中一家公司透過產學合作的方法,取得由筆者分離、來自台灣本土的破囊壺菌品種BL10,進一步完成6公噸發酵槽的試量產;也已順利通過台灣食品藥物管理局的食品販售憑證,和農委會的「飼料自由販售證明」,可以合法地製造、販售和出口相關藻粉、藻油的產品,做為食品原料、食品添加劑和飼料配方使用。

類胡蘿蔔素 許多破囊壺菌富含β-胡蘿蔔素、玉米黃素、蝦紅素等類胡蘿蔔素。這些色素普遍存在於一些行光合作用的藻類和植物中,可協助光合作用的進行(扮演光合輔助色素的角色),同時能保護個體免於強光的傷害(扮演光保護劑的角色)。

由於破囊壺菌並沒有行光合作用的能力,在沒有光照的情況下,一樣會產生這些色素,因此一般認為破囊壺菌之所以需要產生類胡蘿蔔素,在於牠們比DHA更容易氧化。也就是說,這類的色素可以充當抗氧化劑,保護DHA免於受到氧化的破壞。這樣的論點,和「鮭魚因為富含蝦紅素,所以有較為穩定的DHA」的原理有異曲同工之妙。

這類成分原本就是很好的天然食品級色素,可以直接添加在飲料和一般食物中改善賣相;或添加在飼料裡,藉以增加觀賞魚類(如錦鯉)、水產品(如鮭魚、嘉鱲、蝦子)、畜產品(如雞肉和蛋黃)的色澤。又因為類胡蘿蔔素有卓越的抗氧化活性(特別是蝦紅素,是已知抗氧化活性最強的天然化合物),適量的添加可有效提升水產養殖作物(例如蝦子)的存活率。一些以抗老化、護膚和護眼活性為訴求的蝦紅素健康食品,也取得不錯的銷售業績。

目前市場上蝦紅素的主要來源有3個。一是化學合成,是3種鏡面異構物—3R,3R'、3S,3S'和3R,3S'的混合物,其餘兩種來自微生物紅法夫酵母菌和紅球藻,分別含有約0.4%的3R,3R'蝦紅素及1.5~3.0%的3S,3S'蝦紅素。相較於來自化學合成和酵母菌的蝦紅素,紅球藻蝦紅素的量產成本雖高,但化學結構和魚、蝦體內的蝦紅素相同,增豔的效果自然遠高於前兩者。也因為相同的理由,紅球藻的蝦紅素被視為比較「天然」、比較好的蝦紅素來源,在飼料添加劑和人類健康食品、保養品的市占率遠高於前兩者。

破囊壺菌所含有的也是3S,3S'蝦紅素,再加上可以利用異營的方式培養,生長速率遠高於自營性的紅球藻(紅球藻以光為唯一的能量來源,隨著培養密度的增加,光的穿透率會降低,培養容器內部的紅球藻會越來越吸收不到光能,導致生長趨於遲緩。這種「自體光遮蔽效應」是導致自營性微藻生長速率遲緩的主要原因),因此有機會成為另一個天然蝦紅素的商業來源。然而截至目前為止,破囊壺菌可以達到的蝦紅素含量僅有0.15%,遠不及紅球藻的1.5~3.0%,因此商品化的條件仍待開發。

展望

已知破囊壺菌含有各種的蛋白酶、脂肪酶、纖維素酶和木質素酶,可在食品和能源產業一展長才。此外,有些破囊壺菌具有快速分解碳氫化合物的能力,可以用來處理環境中石油的汙染。

破囊壺菌的DHA合成方法十分特殊,牠們利用源自細菌的一種「聚酮合成酶」,快速且很有效率地合成DHA。因此或許能夠把聚酮合成酶的基因轉殖到細菌或植物體內,讓其他生物協助人類製造DHA,或把它轉殖到海水魚、蝦體內,讓這些魚蝦的DHA能自給自足,就可以大幅減少飼料中DHA的添加量,有助於降低水產養殖的成本。

破囊壺菌的細胞含油量可高達細胞乾重的8成以上,是已知蓄積油脂能力最佳的生物物種。破囊壺菌所含的油脂除了DHA外,也富含中、長碳鏈(14至18碳)的飽和脂肪酸,可以進一步轉換成生質柴油,提供汽機車使用。

破囊壺菌也是一個具有潛力的蛋白質表現系統,理由在於牠們是典型的真核生物,能夠生產具有醣基化的蛋白質,同時有不具細胞壁的阿米巴細胞形式,相對於其他有細胞壁的生物更容易接受外來的基因,進而表現這些外來的基因。

阿米巴細胞是一種具有爬行能力的細胞,在營養充足、分裂快速,且缺氧的環境中特別容易出現。這特徵和癌細胞在受到缺氧的刺激時,容易產生變形細胞,穿過周遭的正常組織,進而移轉到其他組織的現象相同。因此在不久的未來,或許能利用破囊壺菌來研究癌細胞的移轉,進而改善癌症的治療。

誌謝

首先感謝味丹生技公司朱鈞耀處長提供全球DHA商品化現況的資料,同時感謝成功大學生物科技所「微藻工程實驗室」的所有同仁對破囊壺菌研究的努力及貢獻。最後感謝國科會研究計畫(NSC101-2622-B-006-001-CC2)的支持,使本文得以順利完成。

深度閱讀
  1. 蔡喬筑(2000)台灣北部沿海地區破囊壺菌科形態、分類學之研究,國立臺灣師範大學生物學系碩士論文。
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