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冰片與土壤微生物的關係
『天然冰片』為樟樹合成『天然樟腦』的前驅物，在一百多年前，台灣曾經是全世界主要的樟腦產地，輝煌時期佔了全球產量的70%以上，當樟樹大量被砍伐後，在這片土地留下了甚麼紀錄呢?俗話說『落葉歸根』，葉片落下後，落葉裡面的植物二次代謝物，終將被土壤裡面的細菌所分解。台灣的土壤裡，在無聲無息中，留下了大量會分解樟樹二次代謝物的微生物。[圖二] 我們實驗室在花蓮地區的土壤中，篩選到大量會分解樟腦、冰片等萜烯類的菌株，並選殖出『冰片脫氫酶』(borneol dehydrogenase)基因。有趣的是，此酵素在植物中是擔任合成樟腦的角色，但是在土壤的細菌內卻是負責將萜烯類分解。在兩者之間，酵素的kcat與kcat/Km相差了1800與 500倍!我們的解釋是微生物為了快速獲取生存所需的能量，酵素的反應速率當然不能太差。二次代謝物本身非植物生存所必須，而且是不斷的累積在植物體內，酵素的反應速率太高，對植物本身不見得是有利的。我們展示了在植物與土壤細菌的體內，一個酵素分別具有兩個不同面貌的範例。[3] 應用發酵技術，生產高光學純度的『艾片』 在化學合成的四種冰片異構物中，以『異冰片』的小鼠半數致死濃度(Lethal Concentration 50%, LC50)最低，換句話說，『異冰片』的毒性最大。由圖一所示，只要是經過化學還原反應合成的冰片，都會有『異冰片』這個副產物。雖然『化學合成冰片』價錢極為低廉，台灣市面上500克的零售價約新台幣400元，但是內含四種冰片異構物，尤其是『左旋異冰片』與『右旋異冰片』這兩個副產物。因為這四種異構物的化學結構太過接近，無法從中分離量產高光學純度的『左旋冰片』或『右旋冰片』，目前只能靠栽培植物，從中提取而得。但是，因為全球暖化的問題，極端氣候將日趨常見，栽培作物的單一來源，威脅也會日增。 目前『左旋冰片』，在美國 SigmaAlderich 公司100公克的零售價是美金$ 122元，與『化學合成冰片』價差距極大。我們在花蓮地區的土壤中，篩選到一菌株Pseudomonas monteilii TCU-CK1，以『化學合成冰片』為單一生長碳源時，可以選擇性的分解『右旋冰片』、『右旋異冰片』、『左旋異冰片』三種異構物，只會留下『左旋冰片』在發酵液中。這意味著我們可以『化學合成冰片』為原料，經由微生物的發酵製程，大量投產『左旋冰片』，不再需要經由栽培植物獲得。[4] 本人著作: 3. Tsang HL, Huang JL, Lin YH, Huang KF, Lu PL, Lin GH, Khine AA, Hu A, Chen HP. "Borneol dehydrogenase from Pseudomonas sp. TCU-HL1 catalyzes the oxidation of (+)-borneol and its isomers to camphor." (2016) Applied and Environmental Microbiology 82, 6378-6385. 4. Khine AA, Yang MY, Hu A, Lin GH, Toh YH, Chen HP. "Production of optically pure (-)-borneol by Pseudomonas monteilii TCU-CK1 and characterization of borneol dehydrogenase involved." (2020) Enzyme and Microbial Technology 139, 109586. |
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