【女科學家】開啟植物生物技術革命的農桿菌女王──瑪麗-戴爾‧奇爾頓

©Syngenta

撰文|葉綠舒

瑪麗-戴爾‧奇爾頓(Mary-Dell Chilton)在1939年二月二日生於印第安納州的首府印第安納波利斯。高中時代的她,跟許多當時的學生一樣,迷上了夜空中璀璨的星星。她加入了芝加哥阿德勒天文館(Adler Planetarium)的望遠鏡製作社團,學著自製望遠鏡。因為對自製望遠鏡的效果不滿意,她試著進行改良,同時也把她改良望遠鏡的想法寫成計畫書,參加1956年西屋科學獎(現改名為英特爾科學獎)競賽。

競賽雖然沒有得到優勝[1],但也進入了最後的決選。在選拔的過程中,參賽者要到現場演示他/她的想法,這個經驗讓她第一次覺得自己可能與眾不同;於是到了伊利諾大學,她迫不及待地想要主修天文學。沒想到,因為要修天文學的學生太多,她被勸退,「等大二再來修」[2]

雖說當時女性要讀大學已經不是問題,但女生還是常常會被排擠。被勸退的奇爾頓決定不再理會天文學、改為主修物理,但是物理也真的不是她的菜(常常在課堂上睡著),於是改為主修化學。

但不論是天文、物理、還是化學,都不是她心之所向。到了研究所,她才找到了真正讓她覺得感興趣的學科:分子生物學。聽著華生、克里克與 DNA 雙股螺旋的故事讓她著迷,可是究竟分子生物學能作什麼呢?

我們現在知道分子生物學有非常多的應用,但在1960年代,大家並不清楚分子生物學到底能作什麼?於是,她決定先別急著找工作。畢竟,當時在華盛頓大學完成博士後研究的她,已經結婚、生子,而她的丈夫是大學老師,薪水養家有餘。於是,她先在華盛頓大學的微生物系裡面兼差,有空時便在丈夫的研究室裡面作點實驗。

就在這時候,修她的微生物學的學生拿了一篇期刊論文給她看。論文來自於萊頓大學的一篇博士論文,提到植物被農桿菌(Agrobacterium tumefaciens)感染後所產生的冠瘤(crown gall tumor)的DNA可以與農桿菌的DNA雜交,因此作者認為農桿菌在感染植物時,會將自己的一段基因(DNA)插入植物中。

當時奇爾頓的反應是:這怎麼可能!但是過後再想想,又覺得蠻有意思的。於是她找了微生物學家內斯特(Gene Nester)與植物病毒學家高登(Milt Gordon)一起來研究這個課題[3]

實驗一開始並不成功,因為當時的雜交技術還非常原始,要在植物裡面偵測到低於百分之一以下的 DNA 序列實在太難了(萊頓大學的結果可能只是雜訊)。直到後來,賓州大學(University of Pennsylvania)的研究團隊發現,當他們把農桿菌養在攝氏37度(農桿菌的最適生長溫度是攝氏28度)一段時間以後,農桿菌便會失去致瘤性,這個發現意味著農桿菌的致瘤因子並不位於它的染色體上。

究竟攜帶致瘤因子的,是不是個質體呢?一開始分離質體的嘗試並不成功,直到1974年比利時根特大學(Ghent University)的 Ivo Zaenen 以蔗糖濃度梯度成功分離出農桿菌的質體(後來這個質體被稱為Ti (致瘤)質體[Tumor-inducing (Ti) plasmid]),這才了解到其他研究團隊失敗的原因:農桿菌的質體太大了!了解到如何分離出農桿菌的質體,於是她們趕緊將 Ti 質體分離出來,重新製作分子標記。當時為了要搶先發表,奇爾頓的研究團隊焚膏繼晷地工作著,不眠不休地工作了好幾週,才終於在植物的冠瘤中找到農桿菌的 DNA[4]

證明農桿菌會把自己的 DNA 插入植物,接下來的工作就是要看看到底轉進去的是什麼樣的 DNA、以及這個質體上的哪一段對農桿菌的致瘤性比較重要。將插入植物的片段選殖出來加以定序、並與農桿菌的Ti 質體序列比對後,很快的就發現了農桿菌插入植物的 DNA 片段(被稱為 T-DNA)是位於左邊界(LB,Left Border)與右邊界(RB,Right Border)之間;而以轉位因子(transposon)進行突變的結果發現,不管 T-DNA 怎樣地被轉位因子破壞,都不影響它的轉入。這個結果讓她們意識到:或許她們可以用任何基因來取代 T-DNA,農桿菌都會照樣把它放進去?

奇爾頓與根特大學的研究團隊很快的都證明了:農桿菌的確可以把任何位於T-DNA區域的DNA插入植物。這樣是否就代表,科學家們可以讓這個病原菌搖身一變,成為植物生物科技的載體呢?

當然是可以的!不過,還有最後一道關卡:農桿菌的質體是個上百個千鹼基對(kbps,kilo-base pairs)的龐然大物,這造成操作上不是很方便。

但是很快大家就發現,Ti 質體可以被分成兩個。在之前以轉位因子進行突變時發現的毒性區(vir region),雖然是農桿菌致瘤性必備的基因,但它可以被分到另一個質體,一點都不影響 T-DNA 的轉入。這麼一來,質體一分為二,剩下的部分小了許多,操作上就變得更方便了!於是大家熟悉的「二元載體系統(binary vector)」就此誕生。

多年後,奇爾頓想到這段時光,仍覺得當時為了要搶先發表,整個研究團隊投入的那種狀態,讓她非常懷念。但當時的發現,到最後導致現在的基改論戰,則是她沒有想到的。在1983年,她離開了華盛頓大學去創辦自己的植物生物科技公司,這家公司後來經過一連串的購併之後,成為現在的先正達(Syngenta),全球四大生物科技公司之一。

身為創辦人、現年77歲的奇爾頓目前不僅還沒有退休,她為了要培育後進的科學人才,每年招待25個學生到她家中作客。這些學生並不只是來玩,他們住在奇爾頓家裡、到奇爾頓的實驗室工作,時間可以從三個月到一年不等。奇爾頓認為,這樣可以讓這些未來的科學家更了解,當一個科學家是怎麼一回事。因此,她把這個計畫稱為「奇爾頓希爾頓計畫」('The Chilton Hilton')[5]

從1955年想要製作更好的天文望遠鏡的高中生、到1970年代為了找出農桿菌是否真的會把自己的 DNA 放進植物的學者,奇爾頓一直都是讓自己的心帶領著自己往前走。近年來,她也獲頒許多獎項,其中包括2013世界糧食獎,並在2015年列入國家發明家名人堂。雖然尚未獲得諾貝爾獎,但是奇爾頓的發現對全人類的影響非常重要且深遠。對於近年來基改作物的種種爭議,她認為許多其實是針對著個別生物科技公司而來,同時她也指出,基改生物技術的潛力尚未被完全發揮,應該可以有比抗病蟲害、抗殺草劑更好的應用,來造福全人類。

 

[1] Science Talent Search 1956

[2] Laura Vanderkam. 2008. "What Amuses Me:" Mary-Dell Chilton

A 1956 Westinghouse finalist moves from optics and telescopes to revolutionizing agriculture. Scientific American.

[3] Mary-Dell Chilton. Agrobacterium. A Memoir

Plant Physiology. 2001. 125 (1): 9-14 (http://www.plantphysiol.org/content/125/1/9.full) doi: http://dx.doi.org/10.1104/pp.125.1.9

[4]

Mary-Dell Chilton, Martin H. Drummond, Donald J. Merlo, Daniela Sciaky, Alice L. Montoya, Milton P. Gordon, Eugene W. Nester. 1977. Stable incorporation of plasmid DNA into higher plant cells: the molecular basis of crown gall tumorigenesis. Cell, Vol. 11, Issue 2, p263–271. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/0092-8674(77)90043-5

[5] The woman behind GMO technology on feeding the world and never-ending controversy. Business Insider. Ariel Schwartz. May 5, 2016

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作者:葉綠舒 慈濟大學生命科學系助理教授,科教中心特約寫手,從事科普文章寫作。

 

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