【研究成果】細菌體重計─利用細胞質譜儀即時監測生物可分解塑膠PHA產量

by Yang-Kuang Chao
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撰稿  /  彭文平 (國立東華大學物理系教授)、科學推展中心編輯部


塑膠製品分解不易所造成的環境汙染日益嚴重,你有想過可分解性塑膠的應用嗎?國立東華大學物理系彭文平教授與慈濟大學醫學檢驗生物技術學系蘇伯琦教授跨領域合作,利用先進的細胞質譜儀,開發出「細菌體重計」,即時監測細菌產生可分解塑膠原料的最佳產量收穫點。

備受關注的生物可分解塑膠─聚羥基烷酸酯 (PHA)

許多日常生活中的製品大多以塑膠為材料,如衣服、包材和家具等。但塑膠廢棄物不易完全分解,並會裂解形成塑膠微粒,這些塑膠微粒(大小約5毫米至1微米)或是奈米塑料(<1 μm)會溶解在淡水中,經由各種路徑進入動物和人類體內。當動物和人類攝取這些塑膠微粒和奈米塑料顆粒,其健康狀況將令人擔憂。若使用焚燒方式處理塑膠廢棄物,所產生的二氧化碳會加劇地球暖化的現象,焚燒過程也會產生有毒的塑膠微粒。

為了減少依賴來自化石燃料所生產的塑膠,科學家積極開發生物生產且是生物可分解的塑膠。生物可分解塑膠因相對環保的特色,適合用於可持續發展的社會,並解決全球環境和廢物管理問題,近來備受關注。

聚羥基烷酸酯 (polyhydroxyalkanoate, PHA) 是一種具生物相容性、生物可分解的塑膠原料,它能在微生物中以顆粒的形式生產和累積,因此PHA已被開發為應用於各種工業領域的塑料。在醫療領域中,PHA可製作為生物降解的手術釘,生物可吸收縫合材料、以及傷口/燒傷敷料等;在農業領域,PHA也可以被用作地膜、農網和生長袋的組成部分。目前已知能夠產生 PHA的菌株超過300種以上,包括革蘭氏陰性和革蘭氏陽性細菌、古細菌和酵母菌。

許多研究以增加PHA 的生產率為主。在細菌發酵過程中,實現最佳產量PHAs收穫時間點的掌控是很重要的關鍵,傳統PHA的定量主要透過重量分析法進行分析或氣相層析法 (GC) 來分析,分析過程耗時費力。如取樣後,須將細菌培養物加熱乾燥後進行重量分析,而在進行氣相層析分析前,必須以有機溶劑萃取PHA後,才能上機進行量測。

運用細胞質譜儀即時監測PHA的最佳產量

為了能在培養微生物的過程中即時監測PHA的產量,以求最佳收穫的時間點,研究團隊發展出一種簡易且能快速量化之方法,由基因工程大腸桿菌生產短鏈PHA「聚羥基丁酸 (polyhydroxybutyrate, PHB)」。其利用雷射誘導射頻場(rf)游離單顆細菌粒子,並透過電荷偵測式四極離子阱質譜儀(LIRFP CD QIT-MS),即可測量出每一顆細菌的質量[1],經由計算可求出PHB在細菌中的含量比例[2]。此一方法好比細菌體重計的概念,當細菌產生PHA時,其重量會增加,因此可達成即時監測的結果。

圖一、不同時間點的基改大腸桿菌PHA產生量與電荷偵測式四極離子阱質譜儀(LIRFP CD QIT-MS)監測結果。

研究團隊收集不同時間的PHA產生量之基改大腸桿菌(SY-4),進行傳統方式(GC)與新方法(LIRFP CD QIT-MS)的比較測試。實驗結果如圖一所顯示,以LIRFP CD QIT-MS所測定的PHB含量,和傳統上所使用的定量氣相層析法(GC)具有一致性(如圖二)。使用LIRFP CD QIT-MS 方法可在採樣後20分鐘內,獲知細菌樣品中PHB含量,然而GC分析則需要2天。

圖二、比較以LIRFP CD QIT-MS所測定的PHB含量和傳統上所使用的定量氣相層析法(GC)具有一致性。

此外,與GC法相比,LIRFP CD QIT-MS在定量過程中不需使用任何如:甲醇、硫酸、氯仿等有害化學物質。研究團隊表示,LIRFP CD QIT-MS方法在PHB生產的常規監測上,具有其應用潛力,並能有效扮演研發改善環境汙染原料的可靠角色。

 


參考文獻

[1] Shao-Yu Liang,Avinash A. Patil, Chou-Hsun Han, Szu-Wei Chou, Wen Chang, Po-Chi Soo, Huan-Cheng Chang, and Wen-Ping Peng* (2018, Oct.). Ionization of Submicrometer-Sized Particles by Laser-Induced Radiofrequency Plasma for Mass Spectrometric Analysis. Analytical Chemistry, 90(22):13236-13242.

[2] Shao-Yu Liang, Shih-Chih Wan, Yen-Peng Ho, Yu-Tze Horng, Po-Chi Soo*, and Wen-Ping Peng* (2022, Aug.). Rapid Quantification of Polyhydroxybutyrate Polymer from Single Bacterial Cells with Mass Spectrometry. Analytical Chemistry, 94(34):11734-11738.

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