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Bee. coli救蜜蜂──陽明大學勇奪世界冠軍

文/張瓊方    

Bee. Coli防堵蜜蜂感染真菌的3道關卡:抑制真菌萌發、殺死腸道中已感染的真菌、無法控制時殺死蜜蜂以防回巢感染其他蜜蜂。(圖/陽明大學副教授張傳雄提供)
iGEM,是合成生物學界規模最大的競賽。2004年起由麻省理工學院主辦,全球各大學學生組隊角逐。競賽內容為基因工程的創意設計概念,以各種特殊的DNA作為元件,設計組合出一套生物系統,送入生物體中,使其發揮功能。

2013年台灣參賽隊伍,除了陽明大學外,還有台灣大學、交通大學、慈濟大學等,共5個團隊報名參賽。陽明大學iGEM團隊在全球204個參賽隊伍中脫穎而出,相當難能可貴。

做學生想做的

由陽明大學生醫資訊研究所暨系統與合成生物學副教授張傳雄、張菁芬博士及牙醫學系助理教授黎萬君帶領的陽明大學團隊,是台灣第一個報名iGEM競賽的隊伍,該校自2007年參賽至今已經第7年,累積豐富經驗,因此2013年除了該校學生外,還有台北美國學校師生加入見習,為報名高中組競賽作準備。

「這是學生的競賽,老師只是從旁協助,」陽明大學iGEM團隊指導老師張傳雄強調,從2007年參賽主題:為糖尿病患設計的「調控葡萄糖恆定迴路」、2008年為洗腎病人設計的「微生物洗腎機」,到2012年利用光合細菌減少環境中二氧化碳,每年的主題都是由學生自己提案、討論出來的,並非教授主導決定的。

且陽明大學iGEM團隊每年都公開招募新軍,不限系所,只要有興趣,肯投入一整年的課餘時間與心力在準備比賽上,都能加入。

「訓練生手是一個困難的過程,」張傳雄表示,2013年的成員從一開始的四、五十位,慢慢自然淘汰,堅持到最後剩下21位。

正向工程的創意發想


培養皿中即為用來拯救蜜蜂的大腸桿菌。(攝影/金宏澔)
合成生物學是結合工程學、生物學等跨領域的新穎科學,張傳雄解釋,如果生命科學是拆解細胞的「逆向工程」,那麼合成生物學則是建構、兜起基因零件的「正向工程」。目的在利用基因元件設計一個系統,再以生物技術將其送入生物體內,製造出一個可以執行特定功能的生物機器。

「iGEM競賽首重創意,」張傳雄以2013年為例指出,一開始由學生天馬行空發想,然後從兩百多個題目中選出一個主題,再試圖以合成生物學的方法解決它。

提出蜜蜂消失議題的學生蕭宥羽,因祖父在養蜜蜂,過去年年都有蜂王漿可喝,近年卻明顯越來越少,因而想解救蜜蜂。

而其他大學的創意發想也令人印象深刻。張傳雄舉例說,這屆有個團隊讓大腸桿菌在不同階段產生不同氣味,在大量繁殖階段會散發出香蕉氣味,在後面穩定階段則發出薄荷味道,因此當食物發出香蕉氣味時,就知道它已經腐敗了。還有讓細菌產生照片、用細菌的訊息溝通來引伸羅蜜歐與朱麗葉的愛情故事等等,都值得學生們觀摩學習。

沒有蜜蜂的世界

iGEM競賽根據學生設計出的系統可行性、實用價值、創意與報告呈現結果等項目來評分。2013年陽明大學團隊一舉囊括了5項大獎,與蜜蜂消失議題的重要性、研發設計出Bee. coli的實用性有很大的關係。

早在2006年歐美國家即開始爆發大量養殖蜂群離奇失蹤的現象。外勤工蜂一去不復返,卻又找不到殘體,蜂巢內僅剩下少數內勤蜂、幼蟲、卵及蜂王等無法採集食物的老弱殘兵,造成蜂群崩解、死亡。此現象被稱為「蜂群崩潰症候群」。


在合成生物學副教授張傳雄的指導下,陽明大學醫學系學生廖柔謙在iGEM團隊的大家庭中,收穫豐富。(攝影/金宏澔)
陽明大學團隊的報告指出,美國2012年有40~50%的蜜蜂死亡,造成1.5億美元的損失。

蜜蜂是大自然中植物繁衍最主要的授粉媒介,沒有蜜蜂採花取蜜,人類將失去三分之一的糧食,如蘋果、花椰菜、小黃瓜、南瓜、苜蓿、棉花、杏仁堅果類等仰賴蜜蜂授粉的植物都會受到影響。因此,沒有蜜蜂的世界,不光只是沒有蜂蜜可以喝,還可能對生態環境造成浩劫。

蜜蜂消失的原因複雜,有人將原因歸咎於全球氣候變遷,蜜蜂棲地減少;也有學者認為是農藥、殺蟲劑污染,蜜蜂將農藥帶回蜂巢裡,生產出有毒的蜂蜜,破壞下一代的中樞神經系統,導致蜜蜂飛航能力、採蜜記憶力都受損。而病毒感染、真菌寄生等問題,更加劇蜜蜂的死亡。

張傳雄指出,歐美學者多從偵測殺蟲劑下手研究,陽明大學團隊則利用改造大腸桿菌來解決蜜蜂遭遇真菌寄生、導致餓死的問題,為處於多重危機的蜜蜂,減少一項危害因子。

真菌(如黴菌)平常以孢子狀態存在於環境中,在養分充足、有利於生長的環境中就會萌發。以它感染蜜蜂為例,蜜蜂沾染上真菌,其孢子會產生萌芽管插入蜜蜂的腸胃細胞中,然後在其中不斷複製產生後代,吸收蜜蜂的養分,導致蜜蜂營養不良餓死。

Bee. coli的三重機制

陽明大學iGEM團隊改造大腸桿菌,以類似雞尾酒療法來控制蜜蜂真菌寄生問題。

大腸桿菌學名E. coli,團隊將改造後的大腸桿菌取名Bee. coli。它以特殊的化學物質包膜,做成膠囊,與蜂農飼養蜜蜂的糖水混合,乾燥成結晶顆粒,讓蜜蜂吃下肚,就有對抗真菌寄生的功效。

Bee. coli一共設計了阻擋真菌進入、殺死已進入蜜蜂體內的真菌、殺死已感染失控的蜜蜂等3重迴路機制。

張傳雄解釋,真菌孢子萌芽管上有一種醣類(Mannost),蛋白質(FimH)偵測到它,就會釋放醣分解酵素破壞它,以阻斷孢子萌發,使其無法進入蜜蜂腸胃細胞中繁衍。

若偵測到蜜蜂已被真菌感染,引發免疫反應所分泌的化學物質(ROS),就能製造抗微生物蛋白(Defensin),殺死真菌。

萬一蜜蜂體內的真菌量已失控過多,無法消滅,此時Bee. coli就會啟動殺死蜜蜂的機制,產生2個酵素,在蜜蜂腸道催化生成酒精,破壞蜜蜂腦部,讓牠在2小時內死亡,以免返巢感染其他健康的蜜蜂,造成集體死亡。

張傳雄指出,一開始選擇大腸桿菌,是因它的操作技術已相當純熟,很容易放入基因;再加上大腸桿菌釋放到環境中無法生存,沒有危害環境的疑慮。

但即使如此,陽明團隊還是設計了大腸桿菌自殺機制,它一旦離開蜜蜂體內,立刻見光死,以免改良過的大腸桿菌釋放到田野間,殺死其他真菌。

張傳雄表示,下一步要以蜜蜂內生的乳酸菌來取代大腸桿菌。「乳酸菌本來就存在蜜蜂體內,是有益菌,可以保護其免疫力。」

蜜蜂的救星


陽明大學的iGEM團隊年年招募研究新血,前輩的參賽得獎經驗,對新加入成員是目標也是壓力。(攝影/金宏澔)
陽明大學iGEM團隊研發的Bee. coli,除了符合合成生物學概念、攸關社會福祉外,還具有實際運用的潛力。

張傳雄表示,目前整個調控迴路已在申請專利中,尚未有廠商接洽生產,但已可以代蜂農偵測蜜蜂是否遭真菌感染,也能進行預防治療。

Bee. coli勇奪世界冠軍的消息在台灣養蜂界已傳開來,已有蜂農來電希望陽明團隊去檢視養蜂場實際感染狀況,還有高雄蜂農帶著發霉的蜂巢直接北上來找張傳雄,希望能解決蜜蜂遭真菌感染的棘手問題。

陽明iGEM團隊研發的「Bee. coli」能否成為蜜蜂的救星?還有精彩的續集可看


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