【科學Plus】鬼花飄香

出版時間 2019/03/31

在1912年，夏威夷茂伊島上，有棵垂死的樹木獨自屹立在哈里阿卡拉火山的古老熔岩原上。它約有4.5公尺高，樹皮覆蓋著地衣，衰弱到只剩最後一朵花。夏威夷人稱這種樹為「hau kuahiwi」，意為山木槿。
植物學家魏爾德（Gerrit Wilder）發現它時，它已病厭厭的，魏爾德摘下最後一朵花以及一些細枝和樹葉，妥善收進採集袋中。這種樹後來以他的姓氏命名為魏氏岳槿（Hibiscadelphus wilderianus）。
在那之後不久，魏氏岳槿滅絕了。「滅絕」理應持續到永遠，是吧？
然而，近來DNA定序技術突破性的進展，研究人員越來越容易判讀死去已久的生物基因，並且「重新啟動」那些DNA段落。2018年，在美國波士頓一間實驗室，那株死去已久的山木槿的重要部分重獲生機。

復活計畫的開端是2014年的「國際精油及香料貿易協會」（IFEAT）年會，「銀杏生物科技」（Ginkgo Bioworks）的執行長凱利（Jason Kelly）在會場遇到瑞士奇華頓香水公司（Givaudan）的顧問，他談起奇華頓派遣探險人員進入全世界的雨林，收集稀有花朵周圍的空氣，鑑定出香氣分子的種類。凱利對此深感興趣，如果可以取得那些植物的樣本，就能定序基因，合成出製造那些氣味的酵素。而且，如果不只關注稀有的植物，而是把已經不存在的花朵氣味帶回來呢？
銀杏生技最頂尖的客戶有很多是香精和香料產業，他們的原料十分昂貴。芳香分子由植物細胞的酵素製造出來，而酵素的藍圖編寫成基因的DNA編碼。這種編碼就像軟體，可以在任何相容的平台上運作。
酵母菌和植物使用的基因有很多是相同的。只要把香味基因插入特別設計過的釀酒酵母菌株，銀杏生技可以在燒瓶裡釀造出氣味分子。
凱利最初打算讓北極永凍土的冰期花朵恢復生機，釀製出一點點「滅絕五號」香水。這個計畫找到一名支持者，銀杏生技的創意主任阿加帕基斯（Christina Agapakis），在哈佛大學取得合成生物學博士學位的她，把這場冒險稱為「白堊紀計畫」，因為最早的花朵出現在白堊紀。
阿加帕基斯發現有篇難懂的論文，提到可從博物館保存的植物和動物抽取DNA，所以她根本不需要永凍土，只需要一座植物標本館。這項發現讓她露出微笑，她很清楚該去哪裡找標本館。

哈佛植物標本館的歷史可回溯到1842年，收納了500多萬件標本。阿加帕基斯和銀杏生技的次世代定序主管湯普森（Dawn Thompson）列印出116種已滅絕的現代植物名單，開始尋找。阿加帕基斯在夏威夷室轉動巨大的輪子，推開嘎吱作響的櫃子，打開門翻閱資料夾。其中一個資料夾，有一整排寬大漂亮葉子的三根長細枝，以及一朵單獨被壓扁的花苞。附帶的卡片寫著「夏威夷群島植物群。魏氏岳槿。」阿加帕基斯覺得好像觸電，已滅絕樹木就出現在她眼前。
最後，他們找到名單上的20種植物，其中14種有足夠的材料可以備用。在館長的監視下，取了最不重要的少量碎片放進塑膠袋。湯普森用他的定序儀跑這些樣本，興奮地看著好幾個短短的讀數浮現出來。那是遺傳編碼的數百萬個片段，每一段都只有45∼50個鹼基長。

但是那些DNA片段有任何一部分屬於香氣基因嗎？銀杏生技尋找的基因通常約1700個鹼基長，可製造出倍半合成酶（SQS），這種酵素能把大多數有效的花香分子組裝起來。銀杏生技的研究人員重新得到的細小碎片，就像把每一種植物的專書（即已滅絕植物的基因組）隨機切成50個鹼基長的不同段落，且全部混在一起，他們必須依照正確的順序重組出1700個鹼基的段落。
計算生物學家王珏（Jue Wang）根據現生植物親戚提供的架構，把序列重疊放置，一點一滴建構基因，最後，從已滅絕的花朵重建出這些基因的2738個版本。
這些基因若要發揮作用，就必須轉成實體DNA，用DNA列印機就可辦到。接著就得靠酵母菌了，每個酵母菌都有2000多個基因，養出來的群體可接受外來的DNA，根據其指示製造出分子。接下來好幾天，就像釀啤酒一樣，這些群體在它們的微小容器內冒著泡泡。分子微生物學家馬爾（Scott Marr）用質譜儀分析這些氣味分子，找出原本不屬於酵母菌的氣味分子。
馬爾比對分子指紋與他的資料庫，終於有了好消息：有數十個花朵與酵母菌的嵌合體展現生機。
阿加帕基斯坐在桌旁聆聽馬爾的報告。距這個瘋狂點子的萌生已過三年，她和同事多次幾乎要放棄，而現在它們成了貨真價實的分子！由基因製造出來、已經消失了一個世紀的分子！

銀杏生技的酵母菌能接受三種不同的已滅絕植物基因，製造出氣味分子。其中有11種氣味分子出自魏氏岳槿，計畫團隊拿芳香試紙沾取11個小瓶，輕輕嗅聞。成員對彼此咧嘴而笑，不敢相信自己身在這裡。「第一種復活的香氣！」凱利朗聲說道。
有些樣本散發柑橘或百里香的氣息。所有樣本都帶有樹皮和杜松的木質核心氣味。那一定是魏氏岳槿的主要氣味。阿加帕基斯閉起眼睛吸氣，然後說：「我喜歡明亮感，覺得好優雅。」
好幾件樣本隱約有硫磺土的煙熏味。凱利拿一張試紙放在鼻下，眼神發亮。他說：「這實在很神奇。我希望這能引發人們的想像力，讓大家思考我們失去了什麼。」
美國史丹佛大學生物工程學家帕瑪（Megan Palmer）認為，氣味和它所啟發的想法是重要的里程碑。她說：「我們無法確知這些花聞起來如何，但可得到分子方面的線索，透過對現生物種的了解來詮釋那些分子。」隨著科學的進展，她認為，「有這些科技之助，我們可以較精確地猜測已滅絕物種的功能，甚至進行更有雄心的計畫，復原那些功能，並讓具有功能的物種復活。」
一旦有更多這類獨立基因以新的形式恢復作用，我們就可對過去看待物種的重點提出疑問。生物原本的形式也許走向滅絕，但很多功能可以恢復，也許到了某個時機，所謂的復活或許可讓某種生物達到「不再死亡」的狀態。

要讓基因死而復生，不是找到古代DNA就行，還必須把遺傳物質重新製作成有功能的基因，接著把基因置入新的活宿主，才能指示細胞產生分子。

以下例子的基因來自已滅絕的夏威夷植物魏氏岳槿。銀杏生物科技的合成生物學家把基因放入酵母菌，製造出香氣化合物。