開創新局的永續化學:淺談榮獲美國總統綠色化學挑戰獎的兩位中央研究院院長的研究與貢獻 / 王正中

星期六 , 11, 三月 2017 Leave a comment

開創新局的永續化學:
淺談榮獲美國總統綠色化學挑戰獎的
兩位中央研究院院長的研究與貢獻

王正中

中央研究院化學研究所
wangcc@gate.sinica.edu.tw

n  美國總統綠色化學挑戰獎

美國總統綠色化學挑戰獎(Presidential Green Chemistry Challenge Award[1]是化學學術界重量級的獎項之一,對研究領域與貢獻要求比許多獎項嚴格,需在環境與經濟的層面上有影響,不是所謂的重量級研究學者就可以理所當然輕鬆獲獎。而中央研究院前任和現任的院長翁啟惠博士和廖俊智博士(見圖一)均為此獎的獲獎者,筆者的研究領域或與翁前院長的工作一脈相承,對現任廖院長的研究工作亦稍有涉獵,因此很榮幸在此為這兩位學者的得獎工作做一粗淺的簡介。

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圖一:中央研究院前任院長翁啟惠博士(左)和現任院長廖俊智博士(右)

(照片來源:由左而右,http://goo.gl/BJZAUkhttp://goo.gl/sFzdcP

化學是人類文明發展中極為重要的一門科學,在我們日常生活中的每一件事、每一個用品幾乎或多或少都與化學有關,甚至生命本身的運行也包含著各式各樣的化學。筆者猶記李遠哲前院長曾勉勵敝所同仁,我們化學工作者乃是站在人類研究及處理來自分子的挑戰的第一線!而有機合成一直是化學學門中極為重要的一個領域,是結合眾多有機反應製造或修改特定有機分子的一門重要科學。有機合成不但可說是一門藝術,而且是現代藥物及化學相關工業與產業的基礎,也是促進它們進步的動力。

隨著時代的演進,新的試劑、催化劑以及方法學的發明、開發與進步,已使得有機化學家們能夠合成的分子的複雜度得以大幅度的提升。傳統的有機化學多半使用的是非生物本質的試劑,例如利用酸、鹼及金屬等,因其發展使用多年,因此相對可靠,目前仍是學術及產業界在使用時的主流。但使用這些試劑及反應時,產生的廢棄物及污染物對環境及成本均造成負擔。因此,可有效減少污染物的產生以及降低成本的新穎合成與催化方法,自然成為目前學術研究上一個重要的課題與方向。

n  翁啟惠院長與酵素合成多醣體

翁啟惠前院長素以醣類研究聞名於世。醣類分子除了是生物體中重要的能量來源之一,在許多生物過程中,也扮演著非常重要的角色。然而這些多醣分子不但複雜且結構變異性高,也不像蛋白質或核苷酸一樣已有簡單方便的方法可以大量表現或合成製造,且由自然界中萃取多醣分子也會面臨萃取產率低落、純化不易以及結構鑒定困難等等的窘境。因此為了更進一步研究這些醣分子在生物體中發揮的功能與角色,化學合成就是一個相對最合理也有效的方式來取得這些生物分子。由於先前提到醣類分子的結構複雜,生物化學家在鑑定其結構時有很高的可能性會產生誤判,但使用化學合成時,化學家得以在過程中保證每一步驟所得產物的純度與結構,最終得到的產物除了可以證實結構鑑定的正確性之外,也可得到較大量且純度符合實驗所需的樣品材料。不過,以傳統的有機合成方法來製造複雜的醣類分子,是一項相當巨大的工程。每一個單醣上都有許多化學活性相似的羥基,如果不將其個別保護起來,這些醣分子一來不溶解於有機反應中常用的溶劑,二來進行醣鏈結反應(glycosylation reaction)將單醣組合成雙醣或多醣時,也將無法控制形成的雙醣或多醣的結構,而是會形成許多難以分離和純化鑑定的不同異構物的混合物。然而光是在每一個單醣上依據目標多醣分子的結構置入合適的保護基團與離去基團這件事,就少則需至少三至四步的反應步驟,多則可能需十餘步,且在不同的單醣分子中區分各個位置的羥基均需不同的反應策略,往往一個多醣分子動輒需要數十個反應步驟才能完成;再者,在將單醣組合成多醣時牽涉到醣苷鍵(glycosidic bond)的形成,但每形成一個醣苷鍵時均會產生兩種不同的立體異構物(stereoisomer),且此類型的異構物由於分子結構差異微小,大部分都極難分離純化。因此,每一個步驟都意味著試劑、時間以及純化所必須付出的經濟成本,以及包含重金屬、過渡金屬以及有毒溶劑的環境成本,且異構物的產生也必須付出高昂的純化分離成本並造成產率的降低。此外,在合成製程之初辛苦置入的保護基在合成的最後階段時也需花費數步反應將之去除,而且由於分子量因此下降,又會造成樣品產量急遽降低,是一項吃力而不討好的工作,也因此造成醣類合成的原子經濟性(atom economy)極低。合成10毫克的多醣分子往往需要數十甚至數百克的單醣分子起始物。

翁啟惠前院長在2000年獲得美國總統綠色化學挑戰獎前就已跳脫一般化學合成的思維,是以酵素進行有機化學轉換,藉由新型高效酵素的發展與反應物的設計進行大反應量的有機合成,更是以酵素合成多醣體的先驅。

利用基因重組將酵素做若干設計與優化,以酵素進行有機轉換,是合成醣類分子的一項重要工具與方法,其兼具高專一性且低污染的優勢。因此,以酵素進行有機反應成為傳統化學及藥物化學工業重要的新思維。酵素本身結構所帶來的高專一性,使得上述醣類的合成完全不需要保護步驟,即可將單醣逐一在指定的位置上接在另一個單醣或多醣上,且立體位向選擇性單一,不會產生另一個立體異構物。整個多糖的製程因此得以大幅度簡化。這些都是傳統有機化學學理上或實際上都無法做到的。翁前院長發展的酵素方法和策略於是進一步使得酵素的使用更為簡便迅速。

傳統有機反應做大量放大時有著各方面的成本,尤其在純化方面通常成本十分高昂。使用酵素合成多醣體時,通常最大的問題及成本則在於酵素反應需要的反應物核苷酸醣(sugar nucleotide取得不易且並不甚穩定,因此反而是最大瓶頸。翁前院長巧妙地將轉化單糖分子成核苷酸醣的焦磷酸化酶(pyrophosphorylase)與醣基轉移酶(glycosyltransferase)混合在同一個系統中,如此一來焦磷酸化酶即可在系統中源源不絕地供應醣基轉移酶所需的核苷酸醣,而不需另行製備且純化這些不易處理的核苷酸醣,進而使得反應可以一次合成大量的多醣體。圖二為以綠色框中的葡萄糖-6-磷酸(glucose-6-phosphate)以及紅色框中所示的乙醯葡萄糖胺為起始物,混合磷葡萄醣變位酶(phosphoglucomutase)、UDP-glucose pyrophosphorylaseUDP-D-glucose 4-epimerase UDPGE)(將葡萄醣轉換為半乳醣)、半乳醣轉移酶(galactotransferase)、pyruvate kinase等多種酵素,即可在單一反應步驟中合成藍色框中所示昂貴的乙醯乳糖胺雙醣產物。[2] 類似的系統後來被大幅的運用在許多複雜多醣的合成上,且已有許多醣化學家基於此一基礎做更深入的改良與應用,因此這一成果對醣類化學及酵素化學上,都是極為革命性的進展。 

擷取

                                             圖二:一鍋化多酵素雙醣合成反應[1]

由於此一方面的貢獻,翁前院長更是1994年到1996年段期間內,世界上論文被引用次數最多的前15名,同時是當時在酵素領域中被引用次數最多的傑出化學家。由於這些劃時代的進展使得化學家得以用更低污染的方式大量合成所需物質,因此獲得西元2000美國總統綠色化學挑戰獎。

n  廖俊智院長與微生物合成醇類

另一方面,廖俊智院長是生物分子和代謝工程(biomolecular & metabolic engineering)、合成生物學(synthetic biology)以及系統生物學(system biology)的權威與翹楚,也在2010年因他的研究在能源方面的卓著貢獻而榮獲美國總統綠色化學挑戰獎。

乙醇也就是酒精是近年來十分重要的生質能源,也就是由生物質(biomass)轉換而成的能源之一,也常被作為燃料的添加物。但使用乙醇作為燃料的主要問題在於它的能量含量(energy content)太低,約只有汽油的三分之二。含碳原子數目較高的醇類會有較高的能量含量,但是自然界中的微生物並無法製造這些碳原子數高於乙醇的醇類,因此其來源與製造方法就成為以這些高碳數(特別是3-8個碳原子)醇類作為生質能源的主要瓶頸。這些含碳原子數為3-8的醇類同時也是常用的化工原料(chemical feedstock)與運輸燃料(transportation fuel),如果能以生物或酵素的方式,直接由二氧化碳或間接由碳水化合物大量合成製造這些分子,不但可以稍解能源問題也可減少碳排放。但是自然界中的生物體並無生合成(biosynthesis)製造這些分子的能力,而在廖院長的研究之前亦無直接以二氧化碳合成這些分子的方法,而且超過五個碳以上的醇類也無法以透過生物的方式合成出來。

俊智院長結合其化學工程與生物化學背景,以微生物技術成功的將葡萄醣或二氧化碳轉化為含3-8個碳原子的醇類。他巧妙地利用微生物生合成自身所需胺基酸的機制,先在大腸桿菌中大量表現將葡萄醣轉化為其生產所需胺基酸的酵素,讓葡萄醣轉換為2-酮酸(2-keto acid)中間體,再以在大腸桿菌中植入的2-酮酸脫羧酶(2-ketoacid decarboxylase)與醇脫氫酶(alcohol dehydrogenase)令微生物製造合成相對應的醇類,前者可將2-酮酸脫去酸基形成醛類,後者再將醛類還原成醇類。以生產異丁醇(isobutanol)為例(見圖三),讓大腸桿菌在葡萄醣溶液中大量表現其轉殖的ilvIHCD基因,將葡萄醣轉化成2-酮異戊酸(2-ketoisovalerate)中間體,接著在大腸桿菌中一樣由轉殖而來的2-酮酸脫羧酶與醇脫氫酶即可將2-酮異戊酸轉化為異丁醇。在24小時反應中,可幾乎將所有的葡萄醣均轉化為異丁醇產物,產率與效率可謂極高。藉由利用不同胺基酸生合成的過程,有六種3-8個碳原子的醇類可以這種方式合成製造。[3] 若更進一步結合光合作用,以二氧化碳行光合作用形成反應所需的葡萄醣,等於可以直接以微生物生合成的方式由陽光和二氧化碳直接生成燃料或化工原料。不但可以減碳,且其效率比以玉米發酵得到乙醇還高,且不用以珍貴的玉米糧食換取生質燃料。未來如果可以克服商業化的瓶頸,每年以此方式製造600億加侖的醇類,可取代美國25%的石油用量,減少五億噸大約相當於美國每年8.3%的二氧化碳排放總和。

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                                        圖三:以大腸桿菌將葡萄醣轉化為異丁醇[3]

兩位前任與現任院長對於生物化學深厚的瞭解與洞見所引發出來的研究與創意,對永續化學貢獻卓著,讓人類學習大自然在溫和的反應條件下產出所需物質。翁前院長利用酵素的方法解決了醣類合成與大量合成有機分子的瓶頸;廖院長則以生物工程解決生質能源能量含量以及製備的問題,兩位都可說是為人類解決重大難解問題的關鍵突破者,引發後人更多的研究與創新,因此獲頒此獎實至名歸。

n  參考文獻

1.        Presidential Green Chemistry Challenge Winners, http://goo.gl/v8Lmz6.

2.        Wong, C.-H. et al. J. Org. Chem. 1982, 47, 5416–5418.

3.        Atsumi, S. et al. Nature 2008, 451, 86-89.

 

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