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」。
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。
比賽結束後,該團隊仍有人留下來繼續研究,期能將此結果實際運用在蜜蜂崩潰症候群的防治上。
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。