【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
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
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。
