我在威斯康辛州中部長大 很常待在戶外
春天時，我會聞聞 紫丁香醉人的花香
夏天時，螢火蟲 在悶熱的夜晚疾疾飛行
發散出閃閃火光，深得我心
秋天時，鮮紅色的莓果佈滿了泥塘
即使是冬天
松樹散發聖誕節氣息也令人陶醉其中
大自然總是令我感到驚奇 又處處充滿靈感
我一路讀到化學研究所，幾年過後
我對於大自然的分子結構 瞭解愈加詳細
我剛提到的事物
從紫丁香和松果的香氣
到莓果的鮮紅色澤、螢火蟲的閃爍光點
都至少有一個共通點：
全都是酵素作用後的結果
我剛提到，我在威斯康辛州長大
所以當然很愛吃起司 也支持綠灣包裝工
我們接著來聊聊起司
少說 7,000 年前開始
人們就從乳牛、綿羊、山羊 這些動物的胃裡
萃取出綜合類型的酵素
接著加進乳品裡
乳品會因此凝結
這便是製作起司的環節之一
當中的關鍵酵素是凝乳酶
讓我帶著大家看看如何運作
這裡有兩根試管
接著在其中一根試管中加入凝乳酶
然後稍待一下
我兒子叫安東尼 ，今年八歲
他一直在幫我想辦法
如何在這次的 TED Talk 做示範
所以我們在廚房花了點時間
切了鳳梨
又從紅薯中提煉了酵素
試了好多不同的方法
最後我們決定
用凝乳酶來示範再有趣不過了
在這根試管裡
凝乳酶在牛奶中四處遊走
吸附其中一種蛋白質，名為酪蛋白
凝乳酶就像是一把分子剪刀
會切斷酪蛋白
正是這個切斷的動作讓牛奶凝結
我們那時在廚房就是在忙這件事
好的
我先把試管封上
接著放在旁邊醞釀一陣子
好的
若說 DNA 是生命的藍圖
那酵素便是執行指令的勞工
酵素這種蛋白質是催化劑
能讓化學反應加速
像是這邊的凝乳酶 正在讓牛奶更快凝結
起司只是其中一個例子
酵素不僅對食物來說很重要
在其他地方更是隨處可見
像是維持嬰兒健康或 打擊現今最棘手的環境問題
酵素的基本結構是胺基酸
常見的胺基酸有 20 種
通常用個別字母縮寫來命名
所以胺基酸種類 其實就像是英文字母
酵素裡的胺基酸相互串在一塊
如珍珠項鍊一般
每種酵素的特性和相異之處
取決於這條項鍊裡有哪些字母
還有這些字母的排列順序 和拼出來的樣子
這一串胺基酸
或說這一串項鍊
會摺疊成更繁複的結構
如果把凝乳酶放大到分子大小
也就是此處的酵素
會是長這個樣子
滿是纏繞的線段和扭曲的螺旋
並且一定得要是如此結構
酵素才能正常運作
現代科技能透過細菌或酵母
這樣的微生物製造酵素
要製作我們有興趣的酵素時
需要擷取酵素原出處的 DNA
將其植入微生物之中
接著微生物會用自身的機制
為我們製造出酵素
所以如果今天需要凝乳酶
就再也不需要一整頭牛
只需微生物即可
我認為更有趣的是
現在我們可以植入 任何特製的 DNA 序列
我們也能創造出來
大自然中沒有的酵素
對我來說，真正好玩的地方是
試著設計出有新用途的酵素
排列著微小的物質
從大自然取得酵素、 任意移動胺基酸、
修飾那些英文字母、
把一些字母放進去、又取一些出來
或是稍微更動順序
這些動作就好像是找一本書來
接著改編一些章節或修改結局
2018 年，諾貝爾化學獎就是頒發給
發展相關技術的科學家
這項技術也稱為定向進化
現今人們可以操控定向進化
為了特定目的設計酵素
其中也有些設計能應用在新的領域
像是洗衣服這件事
就像是身體裡的酵素
幫忙分解吃下去的食物一樣
洗衣精裡的酵素
會幫忙分解衣服上的污漬
其實洗衣服消耗的能源
有百分之九十都用在加熱
這其實不無道理
熱一點的水能讓衣服更乾淨
但是如果用冷水就能把衣服洗乾淨呢？
那絕對會省下一筆錢
除此之外
根據寳鹼公司的計算結果
如果全美國的家庭都用冷水洗衣服
每年能減少排放 32 公噸的二氧化碳
這是個龐大的數字
大約相當於六百三十萬輛汽車的排放量
那我們該如何設計酵素
來讓這些改變實現呢？
酵素並沒有進化出洗衣服這個功能
更別說用冷水洗了
但若是在大自然找找 還是能發現出發點
我們在黏土中找到一種酵素
能有初步的反應
螢幕上是個例子
我剛提到，我們可以操縱這些胺基酸
把一些字母放進去、取一些出來
或是更動順序
如此能製造出數以千計種類的酵素
我們可以把這些酵素
放在細胞培養盤中
我手中的這一個
有 96 個細胞培養孔
每個培養裡都放進了一塊布料
上頭沾有污漬
我們便能夠測量，哪幾種酵素
比較能夠把污漬從布料除去
藉由這個方法 便能瞭解酵素是否有效
我們也能應用自動化技術
像是螢幕上這樣
我們發現有些酵素
跟一開始相比沒什麼進展
這樣就是無特別之處
有些表現得更糟 所以我們也拿掉了
有些表現得很好
這些成效較佳的酵素 便是我們的第一個版本
我們會繼續研究這些酵素
也會持續重複這些步驟
這樣的循環讓我們能找出新的酵素
且能達到我們想要的目的
經過幾番嘗試後
我們真的有所發現
而就是因為這些酵素
現在超市可以買到冷衣精
我想讓各位看看這一組酵素
跟剛剛的牛奶實驗相同
這邊有兩根試管
這一根試管我加了酵素進去
這一根裡面只有水
也就是對照組
試管裡什麼事都不會發生
你也許覺得用牛奶示範很奇怪
原因是牛奶有豐富的蛋白質
而因為酵素的主要工作 便是切斷蛋白質
在蛋白質溶液中 要觀察酵素作用容易許多
我把這倒進來
我剛說酵素很擅長切斷蛋白質
所以能推斷酵素在洗衣服時
跟在牛奶裡會有一樣的效果
所以這個方法讓大家
能想像洗衣服時會發生什麼事
倒進去之後
把試管封起來
跟剛剛的牛奶實驗一樣靜置一會
最後再帶大家看結果
目前設計酵素的能力到哪了呢？
進展一定會越來越快
如今要讓酵素進化有很多方法
跟今天的實驗相比
研究人員會有遠遠更多樣本做實驗
除了我們剛提到
能修補天然的酵素之外
科學家目前正嘗試設計全新的酵素
利用人工智慧的機器學習能力
找到設計方向
另外也能加入不那麼尋常的胺基酸
我們剛有提到 20 種 常見的天然胺基酸
那些不尋常的胺基酸並非天然的
酵素因此會擁有 自然界物質缺少的特性
這個領域很有發展性
那這些設計出來的酵素 未來對各位會有什麼影響呢？
主要有兩個部分：
人體健康和自然環境
有些製藥商佈署了團隊
致力設計酵素
讓藥物更有效 並且減少使用有毒的催化劑
像是 Januvia
這種治療第二型糖尿病的藥物
就有些部分是用酵素製造
未來想必會有更多藥物使用酵素生產
其他領域也是如此
有些疾病是源自 病人體內的酵素出了問題
苯丙酮尿症就是個例子
患有此疾病的病患
無法代謝或消化苯丙胺酸
但苯丙胺酸又正好 在那 20 種常見的胺基酸之中
苯丙酮尿症病人若是攝取到苯丙胺酸
智力容易會出現缺陷
這種疾病非常可怕
所以家長—
這邊有多少人有小孩？
很多人都有
因為美國規定嬰兒需要 經過苯丙酮尿症檢測
所以各位可能對此有所瞭解
我還記得我兒子檢測時 腳跟被扎了一針
這件事情棘手在於飲食
很多食物含有苯丙胺酸，難以避免
我兒子對花生過敏 這件事我非常頭痛
苯丙酮尿症麻煩更是難以想像
然而，新的酵素
也許很快能讓 苯丙酮尿症病人盡情吃喝
最近美國食品藥品監督管理局（FDA）
核准一款酵素，來治療苯丙酮尿症
這對病人來說是天大的好消息
對酵素替代療法領域亦是如此
因為許多問題仍亟待 靠著這個方法解決
以上是健康方面的例子
接著說說環境問題
我之前讀到太平洋垃圾帶
也可以說是加州和夏威夷之間
有一座大型塑膠島
還有到處都有微塑膠
不免感到難過
塑膠問題短期之內無法解決
但酵素也許可以使上一些力
近期人們發現有一種細菌
能製造酵素、分解塑膠
大家也正盡力設計出 這種酵素更好的版本
同時，我們不僅發現了一些酵素
還做出改良
這些酵素能夠製造出 非石油製、可生物分解的塑膠
酵素也許還能在捕捉溫室氣體時
助我們一臂之力
像是二氧化碳、甲烷和一氧化二氮
解決這幾個問題很明顯是當務之急
也無不棘手
不過操縱酵素的能力
未來也許能 讓解決這些問題更容易
我認為在這領域，酵素大有前途
現在請各位看看剛才的示範
這才是有趣的地方
我們先從凝乳酶開始
我拿到這邊來
各位可以看到 這一根試管裡是水
所以牛奶沒有任何變化
這一管裡面有凝乳酶
各位可以看到裡面變得非常清澈
這些凝固的東西就是起司
在短短幾分鐘裡，我們就做出起司了
人們幾千年來就是一直 在應用這個化學反應
我下一次辦公室親子日 也想做這個實驗
不過小孩很難取悅，到時候再看看吧
（笑聲）
我們接著看這一根試管
這是洗衣服用的酵素
各位應該能看到 跟裝水的試管有所不同
裡面也變得很清澈
各位洗衣服時想必也希望如此
我們都希望酵素是大胃王
吃掉所有蛋白質
因為衣服上的污漬就是各種蛋白質
像是巧克力牛奶、青草污漬
這種類型的酵素 可以幫忙洗掉那些污漬
也能讓你用冷水洗衣服
減少碳足跡、又省錢
人類研究酵素有非常久的歷史
想想 7000 年前 就開始用酵素做起司
到今天設計酵素的技術
我們正位於創意的轉捩點
我們能以酵素改寫大自然
甚至利用胺基酸創造出自己的故事
所以改天某個悶熱的夜晚
各位走出屋外，看到螢火蟲
希望各位會想到酵素
幫了我們很大的忙
透過設計，酵素未來還會有更多成就
謝謝
（掌聲）