各校計畫成果

以下為計畫執行期間主要5篇通訊作者文章之研究成果：

1. Nature Communications（節錄自台大焦點新聞報導https://www.ntu.edu.tw/spotlight/2024/2226_20240103.html）

　　光合作用是地球上生物賴以生存的能量來源。光能的吸收是光合作用的第一步，為了獲取更多的光能，不同的光合生物在演化時發展出各自獨特的捕光天線蛋白系統。藻膽蛋白體為存在於藍綠菌的巨大捕光天線蛋白體 (～5-20 MDa)，能捕獲光能並將能量傳遞到光系統二進行光合作用。藻膽蛋白體將近60年的研究歷史顯示其在藍綠菌中主要有兩種形狀，分別是無葉綠囊膜藍綠菌的束狀形及有葉綠囊膜藍綠菌的扇形，但目前對於藻膽蛋白體由簡至繁的演化過程仍缺乏證據。在2021年本校生命科學系何銘洋老師與康乃爾大學的李飛葦老師於Current Biology共同發表一株缺少葉綠囊膜的新種藍綠菌 Anthocerotibacter panamensis，該藍綠菌，於14億年前從其他大部分藍綠菌演化分歧，其藻膽蛋白體座落於細胞膜上，這藍綠菌可能保留了演化早期孑遺的特徵。

　　「我們無法回到過去觀察生物的演化過程，像藍綠菌這類的微生物也缺乏化石證據，因此保留了演化早期特徵的孑遺藍綠菌，就像是藍綠菌中的腔棘魚，對我們了解演化歷程至關重要」何銘洋老師表示。

　　透過與中研院蔡明道院士及何孟樵副研究員冷凍電子顯微鏡團隊合作，我們發現過去從未發現的球拍形藻膽蛋白體結構，不僅具備過去猜測藻膽蛋白體演化初期的孑遺性質，也特化出新的特徵。這個藻膽蛋白體由兩個新發現的連接蛋白ApcH和CpcN組裝成特殊的七柱狀形的核心和兩條藻藍蛋白六聚體形成的長鏈，看起來就像兩個交錯的球拍，因此我們命名這個新結構為「球拍形藻膽蛋白體」。這個特殊的結構讓無葉綠囊膜藍綠菌可以增加光的吸收。至於這個結構不存在於演化後期出現的有葉綠囊膜的藍綠菌中的原因，可能是鏈狀的藻藍蛋白六聚體傳遞光能效率較差，以及在葉綠囊膜間無法容納如此巨大的藻膽蛋白體。總結來說，這獨特的藻膽蛋白體是演化中缺失的關鍵，能幫助我們理解光能的吸收在演化過程中如何改變和適應，並為未來的研究提供了新的方向。

2. Molecular Ecology Resources（改寫自台大焦點新聞報導https://www.ntu.edu.tw/spotlight/2023/2204_20231109.html）

　　我們建立一種生物資訊的新方法FRCI，可用於鑑定環境中會以遠紅光行光合作用的藍綠菌。FRCI運用高通量次世代定序技術，較過去的方法有更高的靈敏度和解析度，有助我們了解環境中這些特殊藍綠菌的分布、與其他細菌的相對比例，和它們的多樣性。

　　藍綠菌是一種能行光合作用的細菌，除了利用可見光之外，有些特殊的藍綠菌演化出利用吸收遠紅光行光合作用的方法，例如生合成葉綠素d或f。這些藍綠菌稱之為「遠紅光藍綠菌」。傳統鑑別遠紅光藍綠菌的方法包含光譜與色素分析；然而，這些方法無法成功找出環境中葉綠素d或f含量較低的樣本。另外，雖然可以透過純化分離菌種，個別鑑別環境中的遠紅光藍綠菌，但此方法十分耗時。為了解決這個問題，我們利用高通量次世代定序技術，建置更能有效偵測遠紅光藍綠菌的方法，稱為「Far-Red Cyanobacteria Identification」(FRCI)，其原理為藉由原核生物間較保守的16S核糖體基因序列，辨別遠紅光藍綠菌和其他藍綠菌。

　　為了驗證FRCI的功能，我們在台大校園內採集17個草皮、苔蘚等樣本，並分別在可見光與遠紅光下培養並以傳統方法和FRCI進行分析。研究結果顯示台大校園很多地方都有遠紅光藍綠菌，而且我們的新方法和傳統方法一樣可以正確檢測出樣本中遠紅光藍綠菌的含量增加。但相較於傳統方法，FRCI具有兩大好處：(1). 高靈敏度：可以偵測到樣本中相對含量較低的遠紅光藍綠菌。(2). 高解析度：可以顯示樣本中遠紅光藍綠菌的種類、比例，以及和其他細菌的相對數量關係。同時，我們將FRCI運用在已發表的定序資料，在世界各地的土壤、沙漠、溫泉與潮間帶偵測到遠紅光藍綠菌。這也告訴我們，在世界上哪些環境，可能有更多遠紅光藍綠菌，以及可能對當地的生態系更重要。

3. ACS Synthetic Biology

我們在這篇研究成功於非模式藍綠菌Chlorogloeopsis fritschii PCC 9212中建立接合轉殖表現系統，並以其表現黃色螢光蛋白。我們也成功找到一個受遠紅光誘導的啟動子。這個啟動子在白光中沒有活性，但可在遠紅光照射下增加細胞最高30倍的螢光。遠紅光的光照強度控制了誘導倍率，同時，這個受遠紅光誘導的表現，可以在細胞回到可見光後受到抑制。這些結果告訴我們這個遠紅光誘導的基因表現系統有未來應用至生物工業調控蛋白質表現的潛力。目前此研究成果正在申請國內專利。

4. Applied and Environmental Microbiology

在這篇研究中，我們建立一個陸域生態系的模式系統，藉此研究遠紅光光合作用的藍綠菌在環境中的互動，和它們的生態棲位。在這個系統，我們觀察到和自然環境相似的情況，這說明了這個系統可以在實驗室中，解答藍綠菌在自然環境中的狀況。經由這個系統，我們意外地發現兩株藍綠菌在共同培養時，生長速率較單獨培養時更快，這也顯示了我們的系統未來有發現更多關於藍綠菌生態棲位以及和其他細菌互動關係的潛力。

5. Current Biology

我們與美國康乃爾大學李飛葦教授團隊合作，發現在巴拿馬的角蘚上分離出一株演化孑遺，無葉綠囊膜的藍綠菌Anthocerotibacter panamensis，我們成功的把這株藍綠菌完整解序、註解其基因體，並觀察型態、測量生理和光譜性質。這株藍綠菌缺少了光合作用的一些基因卻依然可以行光自營生長，因此可提供未來研究光合作用的演進過程，一個非常有用的研究材料。