用合成生物學重新設計植物的固碳循環：專訪中研院廖俊智院長

抓住光合作用流失的碳

光合作用是地球上最大的碳回收機制，每年可以抓住超過 2000 億噸的碳。但是，植物的光呼吸作用會讓四分之一的碳白白流失，而植物在合成油脂的過程中又會再掉三分之一的碳。由於排碳對植物而言並非重要的生存壓力，在漫長的演化史中，碳流失就這樣一直保存下來。中央研究院「研之有物」專訪廖俊智院長，他帶領團隊以合成生物學設計出自然界不存在的人工固碳循環「McG cycle」，與光合作用協同運作，打造出合成二碳植物。研究成果已發表於國際頂尖期刊《Science》。

中研院精密溫室中的野生型阿拉伯芥，經過漫長的演化，植物本身的光合作用固碳效率並不高。圖｜研之有物

植物沒必要固定更多的碳，自己夠用就好

為什麼碳流失的「漏洞」在演化上存在這麼久，植物卻沒有修補呢？「問題並不是自然界想解決而沒辦法解決，以植物的角度來說沒有必要。人類過去 100 多年來持續使用化石燃料，我們造成環境二氧化碳濃度越來越高。這是人類造成的問題，植物沒有這個問題。」廖俊智說道。

氣候變遷是工業革命以來人類大量使用化石燃料的結果。而植物行光合作用把二氧化碳先轉換成一個關鍵化合物，再進行後續合成。若以該化合物有多少碳去分類，自然界 85% 以上是三碳植物（C3 plant），如水稻、小麥等作物，長在溫和的環境裡，一般的光合作用對它們的生存來說夠用了，提高固碳效率並非優先目標。相較之下，四碳植物（C4 plant），像玉米或甘蔗，它們之所以演化出固碳效率更高的機制，是因為有高溫環境的壓力在。「沒有壓力，就不會進步。」廖俊智說。

那植物產油的過程呢？植物在合成油脂時會掉碳，這是因為大量產油對植物來說，沒有任何好處，油脂對人類有用（做燃料、做化學品），但不是植物的主要生存策略。演化會往「對自己有利」的方向走。

「人為造成的問題需要人來解決，自然界短期內沒辦法替人解決。」廖俊智的選擇是，不必等演化，我們自己來設計。設計的想法，要回溯到他學術生涯的開始。

中研院院長廖俊智，正在解釋他如何用合成生物學設計植物光合作用的代謝路徑。圖｜研之有物

用合成生物學解決問題

廖俊智回憶，他的學術研究生涯一開始就瞄準同一件事：用合成生物學的方法，重新設計生物細胞內的代謝路徑，產生化合物以替代石油。不同的時期，有不同的問題要解決。

學術生涯的前 15 年左右，他希望用生質原料，例如植物合成的醣等碳水化合物，做成各種化學品。到了 2005 年左右，能源危機和氣候變遷的聲浪高漲，他開始思考如何合成生質燃料。當時主流的生質燃料是二碳的酒精（乙醇），他的團隊另闢蹊徑，做出了四碳的異丁醇，「我們是全世界第一個以微生物方法做出來的」廖俊智說。

2008 年廖俊智以改造過的大腸桿菌合成出異丁醇，比酒精有更高的能量密度，開啟用生質材料製造航空燃油的合成路徑，成果發表在《自然》期刊，已實際應用在航空業的生質燃油製造。2020 年，廖俊智又將大腸桿菌改造成專門吃甲醇的合成細菌，細菌吃下由溫室氣體轉化而成的甲醇，產出可再利用的燃料，成果登上《Cell》期刊。

做研究的過程中，他漸漸注意到更根本的問題。生物體內的代謝途徑，經過演化形成了幾條主要的「高速公路」，「也可以說是基礎建設」廖俊智解釋，其中一條是醣解作用（glycolysis），幾乎所有生物分解醣的時候都會走這條，但這條高速公路有一個設計缺陷：分解醣的時候，它會丟掉三分之一的碳。「它利用碳的效率非常低。」早在 2013 年，廖俊智的團隊就設計出一條新的基礎路徑，讓醣解的過程不再掉碳，成果發表在《自然》期刊。

然後，他把目光轉向更大的目標：光合作用本身。廖俊智再次決定用合成生物學的技術，解決光合作用的碳流失問題。

植物的葉肉細胞裡面有葉綠體，葉綠體行光合作用的卡爾文循環路徑，會有潛在的碳流失問題。圖｜iStock

兩個碳漏洞，放入新的循環來解決

植物行光合作用，核心路徑叫「卡爾文循環」（CBB cycle），靠一個叫 RuBisCO 的關鍵酵素抓取二氧化碳。RuBisCO 被廣泛認為是地球上數量最多的蛋白質，大部分植物裡面都有它，它的工作是把一個五碳的分子（RuBP）加上一個二氧化碳（CO₂），變成六碳的中間產物，之後再分成兩個三碳的化合物（3PG）。這就是為什麼地球上有 85% 的植物被稱為三碳植物（C3 plant）。

以人類角度來說，RuBisCO 還不夠好，因為有碳流失的問題。過去 20 年，有人想改造 RuBisCO 讓它抓碳更精準，有人設計捷徑讓光呼吸的碳比較快回到卡爾文循環，也有人計畫想把水稻從 C3 植物改造成 C4 植物，增加固碳效率。廖俊智更補充：「還有團隊打算不用卡爾文循環，想重新設計全新的循環，我們剛開始也是這樣做，後來覺得這不是一個最好的方式。」

卡爾文循環的第一個碳流失問題：光呼吸作用。 廖俊智提到，RuBisCO 有個先天缺陷，分不清二氧化碳和氧氣。當它不小心抓到氧氣，就會產生叫乙醇酸（glycolate）的副產物，觸發「光呼吸作用」，排出二氧化碳，光合作用固碳效率便減少約四分之一。

Rubisco 酵素會抓二氧化碳，也會抓氧氣，不小心抓到氧氣，就會有碳流失的問題。圖為光呼吸作用和卡爾文循環簡化示意圖。圖｜研之有物（資料來源｜Wikipedia）

不過，RuBisCO 在漫長演化保留下來，還是有它的道理。廖俊智解釋，「你要增加它的專一性，只抓二氧化碳不抓氧，效率就會變低。反之，效率高，它就不太容易區分二氧化碳跟氧。它已經到達一個平衡了。」如果要改造 RuBisCO 來解決問題，空間非常有限。

卡爾文循環的第二個碳流失問題：合成油脂時，三碳變二碳。 植物要合成油脂、荷爾蒙等重要物質，都需要一個叫「乙醯輔酶 A」（acetyl-CoA）的二碳分子。廖俊智解釋：「六碳一定要先變三碳（3PG）。三碳要變成二碳（乙醯輔酶 A），你就掉了一個碳，就是二氧化碳。」辛苦抓了三個碳，但是為了做油脂，三分之一的碳又回到大氣。

上面兩個碳流失問題，過去大多是分開處理。有人試著減少光呼吸，有人試著改善油脂合成效率。廖俊智打算一併解決，研究團隊設計了一個新的固碳循環，要放入三碳植物「阿拉伯芥」裡面驗證。

新的人造循環，全名是 malyl-CoA-glycerate pathway，縮寫 McG，念起來像 Magic，叫 McG 循環（McG cycle）。

廖俊智解釋，放入 McG 循環有兩個目的。第一是讓它接收卡爾文循環的三碳產物（3PG），然後利用酵素 PPC 再額外抓一個碳，把三碳變成兩個二碳的乙醯輔酶 A。過程中沒有碳流失，還多固定了一個碳。

第二，McG 循環會把 RuBisCO 抓到氧氣產生的「廢棄物」乙醇酸（Glycolate），回收轉化成有用的乙醯輔酶 A，盡可能繞過光呼吸作用。因為關鍵產物乙醯輔酶 A 有兩個碳，故放入 McG 循環的植物也稱為：合成二碳植物（synthetic C2 plant）。

雙固碳系統簡化示意圖，廖俊智團隊把 McG 循環置入阿拉伯芥的葉綠體，與自然界的卡爾文循環（CBB）協同運作，固定更多的碳，並且有效率生產油脂，未來可望做為燃油使用。圖｜研之有物（資料來源｜Science）

越不一樣的東西，越不會干擾

設計循環是一回事，決定設計的方向又是另一回事。McG 循環的背後，反映的是廖俊智長年累積的科學直覺。

他無意取代卡爾文循環，而是加入新的循環，讓兩者協同作用。廖俊智形容：「從 C3 改成 C4，就像重建一個辦公大樓，結構要變，裡面工作的人也要換。但我們不做這件事。我們是在現有的大樓裡增加新的人員編組，做新的功能。」

同樣的邏輯也延伸到 McG 循環的零件挑選。McG 循環使用酵素推動生化反應，一共有六種酵素，分別從不同生物體尋找搭配（如細菌、藻類），而非人工從頭設計酵素。廖俊智說：「自然界演化的酵素，搭配好的話，遠比人工設計的酵素在效率上高出好幾個數量級。」於是，團隊在自然界中搜尋最適合的酵素，組裝出一個從未存在過的 McG 循環。

那麼，把多達六個外源基因塞進植物裡，不會跟植物原來的系統打架或干擾嗎？廖俊智笑著說：「越不一樣的東西，越不會互相干擾。例如，今天有一個跟你很不一樣的人在旁邊，你把他當外星人，他不會干擾你太多。但如果有一個跟你很像、做一樣事情的人，除非你們是朋友，否則就是競爭關係。」他說：「跟植物完全不一樣的東西，反而容易調控，較不會干擾已有的機制。」

廖俊智接著解釋，此概念在生物學裡叫做「正交性」（orthogonal），2022 年的諾貝爾化學獎得主貝爾托西（Carolyn Bertozzi）開發出生物正交反應（bioorthogonal reactions），這些反應能在不干擾細胞正常化學反應的情況下進行。

總之，廖俊智的策略是：讓該連結的地方連結，接收卡爾文循環的產物、回收光呼吸作用的廢棄物，其餘部分盡量不去改變植物原有的機制。

雙固碳循環的阿拉伯芥（McG_1 組別），即使有多達六個外源基因塞進葉綠體，植物依然生長良好，葉片變大、油脂變多。圖｜研之有物

意料之中的產油，意料之外的「巨大化」

McG 循環的生物固碳概念，在廖俊智回台擔任中研院院長之前就已經成形，先後在大腸桿菌和藍綠菌裡驗證成功。而放進三碳植物，又是另一個層次的挑戰。團隊選擇最常用的模式植物阿拉伯芥來驗證，把六個外源基因同時放入葉綠體，最後植物成功長出來時，廖俊智笑著說：「油脂含量變多，這是我們所預期的。而植物長這麼大（植株重量增加 2~3 倍），則是我們沒有意料到的。種子變多也是超出預期。」

阿拉伯芥在相同條件下，McG 植株的葉片面積約為野生型植株的兩倍以上，葉片數量增加約 40%，整株的種子產量提高了 2～3 倍。

廖俊智團隊也發現，乙醯輔酶 A 增加之後，連光合作用本身的效率都跟著提升了。葉綠體裡的膜結構（就是行光合作用的葉綠餅）也變多了，膜上的光合蛋白也增加。

一般大氣的二氧化碳濃度下（400 μmol CO₂ mol⁻¹），McG 植物的固碳速率幾乎是野生型的兩倍，系統形成正向循環：更多乙醯輔酶 A、更多膜和光合蛋白、光合效率提升、吸收更多碳、長更多葉子、更多光合作用⋯⋯

「其中的機制仍然是一個未解的謎。」廖俊智強調。目前知道的是，乙醯輔酶 A 增加後，植物荷爾蒙細胞分裂素（cytokinin）的濃度也上升了，可能可以解釋葉片數量增加，但是光合蛋白為什麼跟著變多？目前還沒有答案。

「我們原本希望新系統不要干擾原來的運作就好。沒想到除了不干擾之外，還有相輔相成的作用。」

雖然固碳效率大增，但改造後的植物畢竟沒有經歷大自然環境磨練，會不會比野生型更脆弱呢？廖俊智說：「這也是我們驚訝的地方，不但沒有，反而增強。我們目前的初步解釋是，油脂多了，水分不容易蒸發，比較抗乾旱。當植物很多油，病蟲要侵入也更困難，就像體型粗壯的人防禦力比較高。」他笑了一下，繼續說：「若將來有缺點我也不會太驚訝，目前還沒看到，才剛開始。」

阿拉伯芥野生型植株（WT）和雙固碳循環植株（McG_1）葉肉細胞的產油比較，第一排是光學顯微鏡，第二排為電子顯微鏡，C 為葉綠素、S 為澱粉、V 是液胞、LD 為油滴。明顯可看到野生型幾乎不產油， McG_1 則有明顯油滴。論文中，其他雙固碳循環植株組別 McG_2、McG_3、McG_4 也看到產油增加。圖｜Science，研之有物後製。