微藻之光~從2026年諾貝爾生醫獎淺談微藻生醫光學應用
「微藻能把光轉換成可被生物系統利用的訊號或能量」
2026 年諾貝爾生醫獎已於 2026 年 10 月 5 日授予 Karl Deisseroth、Peter Hegemann 與 Georg Nagel，以表彰其光遺傳學與光控離子通道研究；研究起點正來自一種單細胞綠藻-萊茵衣藻 Chlamydomonas reinhardtii 的感光機制…
一束光，為什麼可以改變生命？
當我們談到微藻，許多人首先想到的是「綠藻」、「螺旋藻」、「多元營養」、「葉綠素」或「藻藍素」。
在科學史上，綠藻(小球藻)更重要的身分是研究光合作用的模式生物。美國化學家卡爾文（Melvin Calvin）就是用它追蹤碳原子在光合作用中的去向，找出「卡爾文循環」，並因此獲得 1961 年諾貝爾化學獎。
光合作用-葉綠體裡的兩段式反應
綠藻(小球藻)具有另一個更廣為人知的光學系統——葉綠體（chloroplast）。光合作用的光反應主要發生在葉綠體內的 thylakoid membrane（類囊體膜）。
綠藻的一個細胞裡通常有一個大型葉綠體，裡面堆疊著扁平的類囊體膜，光合作用分兩段進行：
光反應（在類囊體膜上）
- 葉綠素吸收藍光與紅光（綠光大多被反射，所以我們看到的是綠色）。
- 光系統 II 把水分解，放出氧氣，同時釋出電子。
- 電子沿著傳遞鏈流動，在膜兩側建立質子梯度，驅動 ATP 合成酶產生 ATP，並生成 NADPH。
碳反應（在基質中）
- 利用 ATP 與 NADPH，把二氧化碳固定成糖類，這就是卡爾文循環。
換句話說：葉綠素不是單純「綠色物質」，而是細胞用來捕捉光子、啟動電子轉移的光化學分子。葉綠素吸收光能後，能夠促使電子進入較高能量狀態，進而啟動後續的電子傳遞與能量轉換。
但在現代生物醫學的世界裡，微藻還有另一個非常尖端的角色——它們是天然的「光學生物科技平台」，綠藻和藍藻的生物光學應用發展，正各自精采…。
2026 年諾貝爾生醫獎的重大啟示，就是來自一種不起眼的單細胞綠藻。
科學家 Peter Hegemann 與 Georg Nagel 等人的研究發現，單細胞趨光性綠藻-萊茵衣藻 Chlamydomonas reinhardtii 能利用眼點內特殊的光敏感蛋白感受光線。這些蛋白後來被稱為 channelrhodopsin（通道視紫質）。當特定波長的光照射時，channelrhodopsin 可以開啟離子通道，使離子快速進出細胞，產生電訊號。
後來 Karl Deisseroth 等科學家把這套「藻類的光感應機制」利用基因轉殖技術移植到神經細胞，並成功在活體小鼠的腦中啟動神經細胞，從神經科學的方向觀察動物的行為、記憶或情緒發生什麼變化，發展成今天著名的 optogenetics（光遺傳學）。
2026 年諾貝爾生醫獎因此讓全世界再次看到一個非常重要的科學概念：
微藻不只是營養來源，也是研究「光 → 生物訊號 → 生物功能」的重要天然模型。
而這條路徑，還可以延伸到藻膽蛋白、螢光生物標記，以及葉綠素光動力治療癌症等領域。
螺旋藻的藻膽蛋白：另一種「會發光的藻類蛋白」
如果說 channelrhodopsin 是「用光控制細胞」，那麼螺旋藻中的藻膽蛋白（phycobiliproteins, PBPs）則可以為「捕捉、傳遞與轉換光能的天然蛋白天線」。
藻膽蛋白主要包括：
| 藻膽蛋白 | 英文 | 主要功能 | 典型光學特性 |
|---|---|---|---|
| 藻紅蛋白 | Phycoerythrin, PE | 捕捉較短波長光 | 約 540–570 nm |
| 藻藍蛋白 | Phycocyanin, PC | 捕捉中長波長光 | 約 610–620 nm |
| 異藻藍蛋白 | Allophycocyanin, APC | 能量傳遞至光合作用中心 | 約 650 nm |
| 藻膽色素 | Phycobilin | 螢光與光能吸收核心 | 依種類不同 |
PBPs 是水溶性的色素—蛋白質複合體，藉由與 phycobilin 色素共價結合而形成鮮明的光學特性。
藻膽蛋白具有重要的生醫光學應用
螺旋藻中的異藻藍蛋白APC（Allophycocyanin）最有趣的地方，是它不只是「藍色蛋白」。它具有明顯的螢光特性，而且其發射波長位於較長波長區域，因此非常適合被設計成抗體或作為生物醫學分子研究中的螢光標記。
研究顯示，藻膽蛋白具有高吸光係數、高螢光量子產率、水溶性以及良好的生物偶聯特性，因此可以被應用於：
- Flow cytometry 流式細胞分析
- FACS 細胞分選
- Immunofluorescence 免疫螢光
- ELISA
- 細胞標記
- 生物分子偵測
- 螢光影像
- ROS偵測
- 生物診斷
從藻類到產業：Flogen的微藻生醫光學平台
遠東生技擁有微藻相關專利超過20件，旗下 Flogen 的產品平台已經將藻膽蛋白從「藻類光合作用中的蛋白質」進一步發展成生物醫學用的高純度原料。
Flogen目前產品線包括：
- Allophycocyanin（APC）
- R-Phycoerythrin（R-PE）
- Cross-linked APC（cl-APC）
- Peridinin-Chlorophyll Protein Complex（PerCP）
- SMCC-APC
- Streptavidin-clAPC conjugate
- Streptavidin-RPE conjugate
並應用於流式細胞、免疫分析、螢光標記等領域。也就是把「藻類的光合作用蛋白」轉換成「人類醫學研究的光學工具」。
葉綠素從「光合作用色素」走向「光動力治療」：用光「引爆」癌細胞
光動力治療（Photodynamic Therapy, PDT） 三大要素：
- 光敏劑：吸光後會被激發的藥物分子，最主要為葉綠素衍生物chlorin e6或其衍生物。
- 特定波長的光：通常用雷射或 LED，由光纖導入病灶。
- 氧氣：組織中本來就有。
光敏劑被光激發後，會把能量轉給氧分子，產生單線態氧Singlet oxygen（¹O₂）與其他活性氧物種（ROS）。這些活性氧的壽命極短、作用範圍很小，只會攻擊光敏劑所在附近癌細胞的細胞膜、脂質、蛋白質、粒線體、細胞器、核酸，因此可以讓傷害集中在被光照到的腫瘤區域，最終造成癌細胞死亡。
這類化合物（稱為 chlorin 類）有一個優點：它們在紅光區有很強的吸收，而紅光比藍光、綠光更能穿透組織，適合用來處理較深的病灶。
實際已用於臨床的 chlorin 類光敏劑包括：
- Talaporfin（Laserphyrin）：二氫卟吩 e6 的衍生物，在日本已核准用於部分癌症。
- Temoporfin（Foscan）：在歐洲核准用於頭頸癌的治療。
- Verteporfin：核准用於年齡相關黃斑部病變，並非用於癌症。
微藻之「光」：三種不同的生醫應用
從生物醫學角度來看，微藻的光學應用可以整理成三大方向：
| 微藻光學系統 | 微藻/代表分子 | 「光」扮演的角色 | 生醫應用 |
|---|---|---|---|
| 光感應系統 | 萊茵衣藻/Channelrhodopsin | 光 → 離子流/電訊號 | 光遺傳學、神經科學 |
| 光捕捉/螢光系統 | 螺旋藻/PC、APC、PE | 光 → 能量/螢光 | 流式細胞、免疫分析、影像 |
| 光敏化系統 | 小球藻/Chlorophyll及其衍生物 | 光 → ROS | 光動力治療、癌症研究 |
這三者雖然都是「光學蛋白/色素」，但是作用完全不同。
這三條路徑可以說是：「微藻光學」從基礎生物學一路走向精準醫學的三條重要道路。
對微藻產業的啟示：從「營養微藻」走向「光學生物科技」
過去大家談微藻，通常集中於：
蛋白質、維生素、礦物質、葉綠素、藻藍蛋白、類胡蘿蔔素。
但未來微藻的價值進一步向：
微藻（Microalgae） → 功能性分子 （Functional Molecules） → 生物光學 （Bio-optics） →
生物醫學 （Biomedicine）來發展。
因此，未來的微藻產業已不再只是「保健食品原料」。它也會成為：
生物感測器、螢光蛋白、診斷試劑、光學探針、細胞影像、光動力醫療與精準醫學材料的重要來源。
小小微藻，應用無限…
兩種不同綠藻的比較
| 綠藻/小球藻（Chlorella） | 得獎研究的衣藻（Chlamydomonas） | |
|---|---|---|
| 類 別 | 綠藻(小球藻)，具有悠久食用歷史；保健營養食品原料 | 綠藻，基礎研究的模式生物；屬於「非傳統食品原料」，尚未開放食用 |
| 光學應用 | 葉綠素與光合作用光動力抗癌 | 眼點的光通道蛋白光遺傳學 |
兩者都是綠藻，但種類相異，用途也大不相同。
參考資料來源：
- 諾貝爾獎官網，2026 生理學或醫學獎：https://www.nobelprize.org/prizes/medicine/2026/summary/
- 微藻研究所：https://www.febico.com.tw/
- Flogen總覽：https://www.flogen.com.tw/EN/products
- STAT News、Time、CNN 對 2026 年得獎消息的報導
