脊椎動物也有甲殼素（chitin）

甲殼素又名幾丁質，是由β-N-乙醯葡萄糖胺（β-N-acetylglucosamine）所形成的聚合物。它構成真菌的細胞壁以及節肢動物（蝦、蟹、昆蟲等）的外骨骼（exoskeleton）。

幾丁質。圖片來源：wiki

糖的聚合物形成為兩個糖的氫氧基（-OH，hydroxyl group）發生縮合（condensation）反應脫水後形成。當β構形的糖形成1→4聚合物時，由於一號碳與四號碳的氫氧基在平面的不同側，造成聚合物形成後會翻轉成一正一反的狀態（如上圖）。而這樣一正一反的安排，使得β構形的糖形成的聚合物能夠產生許多分子內氫鍵（H-bond），成為直線狀的分子；而一條條分子之間又會形成分子間氫鍵。這麼多的氫鍵使水分無法進入（甲殼素不溶於水），也提升了聚合物本身的強度；節肢動物的甲殼之所以能如此堅硬，都是拜這β糖的鍵結所賜喔！類似的鍵結也發生在纖維素（cellulose），它是β-葡萄糖的聚合物。

由於在脊椎動物中找不到幾丁質合成酶（chitin synthase，簡寫為CHS）的存在，過去甲殼素一向被認為是專屬於真菌與節肢動物。最近華盛頓大學（University of Washington）的研究團隊在魚類與兩棲類的基因體中，找到與幾丁質合成酶相似度極高的基因，而且還在斑馬魚的腸以及魚鱗的表皮細胞中發現了甲殼素的存在。

研究團隊用BlastX進行搜尋，在斑馬魚（Danio rerio）的第13號與18號染色體中共找到了四個與幾丁質合成酶相似度頗高的基因；其中1個位於13號染色體，3個位於18號染色體。其中13號染色體上的幾丁質合成酶（命名為chs1）在胚胎的早期表現於腸子上。

由於基因有表現並不代表它真的會合成甲殼素，研究團隊進一步研發含有幾丁質結合蛋白（chitin binding domain，CBD）的螢光標記。螢光標記顯示，不只是在斑馬魚的腸子裡可以偵測到甲殼素，在斑馬魚的魚鱗上、以及在大西洋鮭魚（Atlantic salmon，Salmo salar）的魚鱗上都可以偵測到甲殼素的出現。不只於此，在爪蟾（Xenopus）與墨西哥鈍口螈（Ambystoma mexicanum）的前肢趾尖也偵測到甲殼素的出現。為了進一步證明甲殼素的存在，研究團隊甚至收集了60克的大西洋鮭魚魚鱗，並從中分離出1.5毫克的甲殼素。

當然，甲殼素出現在脊椎動物的不同部位是很有趣的發現；但是，這些甲殼素是否真的是研究團隊搜尋到的幾丁質合成酶所產生的呢？在研究團隊將斑馬魚第13號染色體上的幾丁質合成酶給剔除掉以後，腸子裡面就測不到甲殼素的出現了。

由於搜尋軟體的不斷改進，以及生物科技的進步，過去一向以為是真菌與無脊椎動物專屬的甲殼素，原來也存在於脊椎動物中；只是，它在脊椎動物裡似乎有不同的角色。在無脊椎動物以及真菌裡，甲殼素出現在外骨骼與細胞壁；而在脊椎動物中，甲殼素卻會出現在腸子（內臟）裡。究竟甲殼素在脊椎動物中擔任什麼樣的角色，有待未來持續的研究。

（本文版權為台大科教中心所有，其他單位需經同意始可轉載）

參考文獻：

W.J. Tang et. al., 2015. Chitin is endogenously produced in vertebrates. Curr. Biol. 25: 1-4. http://dx.doi.org/10.1016/j.cub.2015.01.058

產氫菌Halanaerobium hydrogeninformans：未來新能源寵兒？

人類不能少了能源。除了用來開車以外，能源最大的用途是發電。有了電，很多機械都可以運作，生產我們需要的各式各樣的物品。

過去，隨著石油的存量漸漸減少，學界與業界開始找尋新的替代能源；而燃燒石化能源造成的溫室效應與空氣污染，更促使學界努力尋找新的「乾淨能源」。

在眾多的「乾淨能源」中，氫氣（hydrogen）是相當被看好的一種；原因無他，氫氣燃燒後只會產生水，不會產生溫室氣體。只是，要如何大量的產生氫氣呢？

過去有研究團隊曾發明照光就可以分解水的晶片（1），但是使用如陽光這類的能源有一個問題，就是沒有光時就沒有產出；而陽光來不來，完全要看老天爺的高興。如果要建立一個使用太陽能產生氫氣的工廠，如果該地區每年光照的時間不夠長，其實是不符成本的。譬如很多朋友在夏天來東部的時候，都會覺得東部的太陽好大，怎麼沒看到太陽能電廠呢？經筆者請教一些專家才知道，東部雖然夏天太陽大，但冬天是雨季；而且即使在夏天，下午兩點後陽光就被山脈擋住了，所以並不適合建太陽能發電廠，了不起自己家裝一台太陽能熱水器，洗澡燒熱水不要錢罷了。

最好的方法莫過於請微生物幫忙做工。從古代人們就懂得用酵母菌發酵製作麵包、用不同的微生物發酵製作各式各樣的古怪食物（有興趣可以參考TLC頻道的「古怪食物」）。到了現代，我們用微生物幫我們製造更多東西，包括DNA。

用微生物分解纖維素製作纖維酒精，在過去這些年一直都是很熱門的研究領域。但是植物的落葉、殘枝、斷木中所含的不只有單純的纖維素，還有木質素（lignin）。微生物無法分解木質素，因此我們必需先將木質素與纖維素分開。

目前最常用的是使用高壓蒸汽進行汽爆（steam explosion）來將木質素與纖維素分開；但這個方法需要使用大量的能源產生蒸汽，所以也不是那麼環保。相對較環保的是以鹼來處理，但是產物不但是鹼性的，鹽類濃度也相當高。這樣的產物，若不經過處理，一般的微生物是無法消受的--除非是嗜極生物（extremophile）。

在2012年，密蘇里大學（University of Missouri）的研究團隊，在華盛頓州的肥皂湖（Soap Lake）分離出了一隻產氫菌：Halanaerobium hydrogeninformans。這隻菌可以在百分之7.5的氯化鈉，以及pH11的鹼性環境下生活，分解葡萄糖、纖維二糖（β-葡萄糖的雙糖）、木糖、阿拉伯糖、甘露糖與半乳糖，產生醋酸、甲酸與氫氣（2）。

Halanaerobium hydrogeninformans 的電子顯微鏡圖.
圖片來源：Frontiers in microbiology

由於它耐鹽、耐鹼，這意味著以鹼處理過的植物落葉、殘枝與斷木，不需要再進行處理就可以直接給它使用。為什麼這隻菌會這麼厲害呢？

原來，它的「誕生地」--肥皂湖，本身就位在一個富含礦物質的的區域。由於湖中的礦物質很多（含有鈉、重碳酸根、硫酸根、碳酸根、氯化物、鉀、氟化物、硝酸根、鈣、鎂等，3）

肥皂湖。圖片來源：wiki

這個湖因為它的礦物質，造成湖水不但摸起來滑滑的，也很容易產生泡沫（如上圖），所以被稱為肥皂湖。故老相傳，它的湖水有療癒的能力，因此傳說中，附近居住的印地安人相約，到了肥皂湖不可以打鬥，只能好好的進行療程。

由於這個湖的酸鹼度與木星的衛星相似，因此美國的國家科學委員會（National Science Foundation）曾在2002年撥出經費給大學，想要經由研究肥皂湖，了解其他星球是否有生命的可能性。看情形，這個研究並沒有開花結果；倒是密蘇里的研究團隊在這個湖裡找到許許多多的寶呢！

（本文版權為台大科教中心所有，其他單位需經同意始可轉載）

參考文獻：

1.Steven Y. Reece, Jonathan A. Hamel , Kimberly Sung, Thomas D. Jarvi, Arthur J. Esswein, Joep J. H. Pijpers, Daniel G. Nocera. 2011. Wireless Solar Water Splitting Using Silicon-Based Semiconductors and Earth-Abundant Catalysts. Science DOI: 10.1126/science.1209816

2.Matthew B. Begemann, Melanie R. Mormile, Oliver C. Sitton, Judy D. Wall and Dwayne A. Elias. 2012. A streamlined strategy for biohydrogen production with Halanaerobium hydrogeniformans, an alkaliphilic bacterium. Frontiers in Microbiology. doi: 10.3389/fmicb.2012.00093

3. Soap Lake. Wikipedia.