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首頁> 人文社科館>人文科普>科學百科> 諾貝爾化學獎2005-2015

諾貝爾化學獎2005-2015

出版品牌:八旗文化

作者:科學月刊

ISBN:9789865842796

出版日期:2016-02-03

定價:NT$  200

優惠價:NT$180

內容簡介 |

不能錯過的科學十年進展

十年諾貝爾化學獎的非凡成就

科學各領域的大融通、跨領域的整合趨勢

 

探索生物中巨大分子的量子計算,為量子化學建立里程碑。

合成化學研發眾多新穎觸媒,爆發出驚人進展。

化學與生物結合,把研究延伸到複雜的生物系統。

 

每年十月諾貝爾獎頒布之後,都不免在媒體和學界引來話題,話題從獲獎人的國家和背景,學術經歷和奮鬥歷程,到得獎感言和頒獎花絮,諾貝爾獎誠然是全球科學界每年最大的盛事,因為它代表了科學成就的巔峰,也展現了科學發展的最新趨勢。

  《諾貝爾化學獎2005-2015》集結科學月刊每年在諾貝爾化學獎得主公布時,邀請國內該領域的專家,針對該年各個得主的生平事蹟和得獎領域做深入分析,以深入淺出的文字和說明,讓讀者瞭解最前沿的科學研究現況。從學術發展的潮流到學術傳統的傳承,前瞻性地引導讀者思考科學的前景。

回顧21世紀以來的十六年間,生物化學領域是諾貝爾化學獎最熱門,佔了一半,其次是合成化學,也有三分之一以上,新儀器的研發有三次,新物質的發現一次,量子計算化學一次。這些得主的成就明顯揭示了近年物理、化學、生物的大融通(great consolidation)及跨領域(interdisciplinary)整合,本書不但為你剖析化學獎演進脈絡,也讓您深入瞭解一窺這些研究的究竟。

最後值得一提的是,這些撰稿的台灣科學家當中,有許多和得獎大師有師承關係,讓我們一窺得獎者或特立獨行的研究風格,或平易近人的為人處事一面,更神遊於他們治學的風範和精神,諾貝爾獎,得之不易,但有跡可循。

 

 

 

作者簡介 |

科學月刊

《科學月刊》(Science Monthly)是台灣本土科普領域的代表性刊物,代表好幾個世代的台灣科學家和理工知識分子回饋社會的心意,所形成的科學沙龍風貌以及在中學科學教育和科學政策上所造成的影響,都是《科學月刊》在台灣科學社群發展以及文化影響方面的具體表徵。作為國內科普推廣的重要刊物,介紹每年的諾貝爾獎內容是不可少的任務與目標。《科學月刊》距上次將介紹諾貝爾獎文章集結成冊,已過十年,這次與八旗文化合作,十年磨一劍,刊出合集,也望在科學知識的傳遞和累積上,有所貢獻,不僅如此,《科學月刊》還會持續介紹每一年的諾貝爾獎成果,為下一個十年一書而努力。

 

 

書摘 |

2008年諾貝爾物理桂冠

水母綠光點亮生命彩頁—繽紛奪目的螢光蛋白

 

吳益群 台大分子與細胞生物學研究所教授

蔣沆祥 台大分子與細胞生物學研究所博士

 

 

2008年10月,在眾人翹首引領之下,瑞典皇家科學院宣布2008年諾貝爾化學獎由日裔美籍科學家下村脩(Osamu Shimomura)、美籍科學家馬丁.查爾菲(Martin Chalfie)和華裔美籍科學家錢永健(Roger Y. Tsien)三人共同獲得,以表揚他們研究綠色螢光蛋白(green fluorescent protein, GFP)的卓越成果。

GFP是一種螢光蛋白,在藍光或是紫外光的照射下,呈鮮綠色螢光,因此,科學家可利用GFP來觀察生物體甚至是細胞內的生物事件。例如,GFP可以用來觀察生物體內腫瘤的成長或是病原體的移動;GFP也可以用來偵測單一細胞內的胞器、染色體的變化,或是蛋白質的產生。換言之,當顯微鏡技術帶領人類遊覽細胞內的建築之美時,GFP可說是更忠實地呈現了內在的事件變化,讓我們更詳盡地了解生命現象的運作,或是疾病的產生機制。如此豐功偉業,讓GFP摘下諾貝爾化學獎的桂冠確是實至名歸。然而,到底GFP 是如何達成這個神奇的任務,讓我們得以窺探生物體內的祕密活動?讓我們話說從頭。

 

綠色螢光蛋白的誕生

諾貝爾獎得主下村脩,從1960年開始跟隨約翰森(Frank H. Johnson)研究水母,初衷十分單純——想要了解為什麼水母會散發漂亮的光芒。為了收集大量水母做研究,他常去海邊撈拾水母,有時甚至動員妻小一起幫忙收集。後來他專注研究一種學名為Aequorea victoria的水母;這種水母在北美西海岸隨洋流漂移,身體呈美麗的藍色,受到刺激時,其傘緣的發光器官(photoorgan)則會發出綠色螢光。

在收集到許多A. victoria後,下村脩將水母的傘緣割下,置於濾紙上,壓榨萃取其汁液。經過約莫一年的嘗試與努力,他成功地從這些汁液中分離出水母發光蛋白(aequorin),這種分子在與鈣離子並存時會發出強烈的藍光,也就是A. victoria呈藍色的原因。同時,他也分離出另一種讓水母產生綠色螢光的物質——GFP,這便是GFP的第一次破「水」問世。

之後數年,下村脩進一步研究出GFP在分子立體結構上,有一個特殊的發色團,這個特殊的球狀結構由三個胺基酸組成,在吸收藍光或是紫外光後會被激發,而散發出明亮的綠色螢光。這個發現大大顛覆了以往對發光蛋白的印象:大多數的發光蛋白都需要額外的輔助因子才能發光,如水母發光蛋白就需要有鈣離子的存在才能發出藍光。然而GFP只需要照射藍光或紫外光,就可以發出綠色螢光。也就是說,如果想利用GFP 的螢光觀測細胞內的變化,只要給細胞正確的激發光源,它就會給予想要的資訊,不需額外加入其他分子,也不必擔心會影響細胞的正常生理。

當時下村脩並沒有意識到GFP 的應用前景,對他來說,了解水母為何會發光而滿足他純粹的好奇心,就是一種莫大的幸福。但是正因為下村脩長期的熱情與執著,我們才有機會認識深藏在海洋生物體內的寶藏——GFP,使得後進有機會去應用這個神奇的綠色螢光蛋白。下村脩因此被譽為「生物發光研究第一人」。

 

綠色螢光蛋白嶄露頭角

在下村脩發現了GFP這個神奇的螢光蛋白後,馬丁.查爾菲首先將GFP應用在活體生物的觀測上。他的研究對象是線蟲Caenorhabditis elegans。C. elegans的成蟲僅有2公釐大,共有959個體細胞,但是「麻雀雖小,五臟俱全」,牠有許多在人類身上可以發現的細胞種類,有完整的組織及系統;更重要的是,線蟲與人類的基因體相似度高達40%,因此具有極高的研究價值。

線蟲的另一個研究優勢就是牠是透明的——我們可以直接在顯微鏡下清楚看到線蟲體內的所有細胞。馬丁.查爾菲在1977年師承Sydney Brenner(因開啟線蟲的研究領域,於2002年與John E. Sulston及Robert Horvitz共同獲頒諾貝爾生醫獎),開始線蟲神經系統的研究。最令他著迷的問題是線蟲對外界的觸覺反應:當我們用拔下的眼睫毛去輕碰線蟲的尾巴時,牠會快速地往前爬行;但若輕碰其頭部時,則會快速後退。

馬丁.查爾菲發現線蟲的觸覺主要來自6個觸感神經細胞的作用,雖然利用電子顯微鏡以及免疫螢光染色技術,已經可以清楚知道這6個神經細胞的位置與連結關係,但是這兩種顯微技術都必須犧牲線蟲,而且操作繁瑣,想要在活生生的線蟲體內直接觀察追蹤神經細胞,在當時根本就是天方夜譚。

在1988年美國哥倫比亞大學舉辦的學術演講中,馬丁.查爾菲知道了GFP,這讓他非常雀躍。由於GFP是生物體內自然產生的蛋白質,因此只要在特定細胞表現這種蛋白質,就有機會讓活細胞「發光」,如此就可以用來在活體內標記特定的細胞。當時馬丁.查爾菲就想到可以將GFP基因連接在他想研究的基因後面,再把這樣的DNA顯微注射到線蟲體內,這樣一來,GFP所發出來的綠色螢光就像一盞探照燈,指出蛋白質產生的時間跟位置。1992年,普瑞舍(Douglas Prasher)成功地複製出GFP基因,兩年後,馬丁.查爾菲將他的想法化為真實:他將GFP基因接在一個啟動子(promoter)後面,這個啟動子在線蟲的6個觸感神經細胞中會被啟動,並形成GFP分子,使得這6個特殊的神經細胞發出綠色光芒。

馬丁的這個實驗為GFP立下一個意義非凡的里程碑,因為這證明從水母身上分離出來的GFP基因,也可以在其他物種上正確地表現與摺疊,並發出綠色螢光。這對當時的研究來說是一大福音,因為在那時,若想要利用螢光顯色來研究特定蛋白質,研究人員必須將螢光化合物以人工的方法與蛋白質接合,再注射到細胞內,此流程需要高度專業的設備與操作技術,尤其對於複雜的多細胞生物來說,執行起來十分困難。

同時,螢光化合物通常具有毒性,而且每觀測一種不同的蛋白質,就必須重新進行蛋白質純化的步驟,更提高了繁瑣程度與難度。相較之下,利用啟動子來產生GFP的方式簡易許多,而且GFP對細胞也不具有毒性。因此,在馬丁.查爾菲發表這項研究的後續幾年內,利用GFP觀測細胞內蛋白質產生與變化的研究,如雨後春筍般出現。

 

蛋白質決定細胞的命運

為何觀測蛋白質的生成與變化是生命科學中的重要課題?因為生物體內有成千上萬不同種類的蛋白質,這些蛋白質各自執行不同的功能使細胞正常運作,也就是說,蛋白質幾乎掌控了細胞的命運。當有蛋白質發生異常時,細胞的運作就會出錯,疾病便隨之而來,這就是為何科學家急於了解各個蛋白質功能的原因。而每個蛋白質的產生,都需要經過基因上特定的啟動子啟動基因,轉錄合成mRNA,再轉譯形成蛋白質,這就是所謂的中心法則(central dogma)。

舉例來說,當你因為登山或其他原因,吸入的氧氣變少時,體內的缺氧誘導因子就會與紅血球生成激素的啟動子結合,開始製造紅血球生成激素的mRNA,然後轉譯形成紅血球生成激素,此激素可以促進紅血球的產生,最後使體內的攜氧能力提高,以適應氧氣較少的環境。如果我們在紅血球生成激素基因的DNA序列後面接上GFP基因的話,在一般氧氣充足的情況下,紅血球生成激素基因並不會表現,所以我們不會觀察到綠色螢光;但是當氧氣含量較低的時候,缺氧誘導因子與紅血球生成激素基因的啟動子結合,就會產生紅血球生成激素,此時我們將會看到這種蛋白質發出綠色的螢光。這樣的實驗策略,可以廣泛應用於探測各種細胞內的蛋白質變化,我們可以知道細胞在活體內移動的路徑,也可以知道在血管生成時,有哪些蛋白質會產生;我們甚至可以知道,當癌症產生時,有哪些蛋白質會大量地表現。

 

綠色螢光蛋白大放「異彩」

然而科學家並不滿足於現況。雖然我們已經可以觀測到細胞內的蛋白質了,但如果我們想要同時觀測兩種以上的蛋白質呢?這時如果兩者都是綠色螢光的話,我們勢必無法分辨它們。

錢永健為此提供了解決之道。早些時候,錢永健就已是螢光化合物的專家,他發明許多螢光化合物,用以偵測鈣離子的變化。他的研究也對GFP的發色團做了進一步的闡述,說明這個結構如何經由化學變化產生螢光,除此之外,他將238個胺基酸長度的GFP,利用基因工程的技術,在螢光蛋白中不同的胺基酸位置進行代換。藉由這個方式,他改造出螢光效果比GFP更強更穩定的EGFP(enhanced GFP);同時,他也陸續發展出不同顏色的變種GFP,如青綠色、藍色和黃色等等。

目前科學家所使用的螢光蛋白,多半是由錢永健實驗室改造的GFP變體,讓科學家可以藉由在不同的蛋白質上做不同顏色的標定,來研究兩種以上蛋白質的變化與彼此之間的交互關係。

紅光比其他顏色更容易穿透組織,因此對於研究組織或是細胞特別有用。然而當時,一直無法將GFP變種形成會散發紅色螢光的分子。後來Mikhail Matz與Sergei Lukyanov這兩位俄國科學家為這個難題提出初步的解決方案。他們從散發螢光的珊瑚中找到會發螢光的蛋白質,其中一種會發出紅色螢光,即DsRED。不過DsRED較大,具有4條胺基酸鏈,因此較不適合用作生物螢光標定。對此錢永健再度發揮他的專長,將DsRED改造成只要1條胺基酸鏈就可以發出紅色螢光的蛋白質,這個蛋白質較小並且較為穩定,所以非常適合作為生物螢光標定。往後錢永健又陸續發展出許多顏色綺麗的蛋白質,如mPlum、mCherry、mStrawberry、mOrange和mCitrine等。因此,拜錢永健所賜,細胞內原本單調的世界,頓時間散發出閃亮繽紛的色彩。

美國哈佛大學的研究者,將老鼠的中樞神經系統標定上4種不同的顏色——紅色、黃色、青綠色和橘色。在不同的細胞內,會有不同的蛋白質表現量,因此產生各種不同強度的螢光,藉由這些強度跟顏色各異的螢光組合,使得中樞神經系統形成千變萬化的色彩,又被稱為腦彩虹(brainbow)。藉由這樣的色彩變化,研究者就能清楚分辨原本交纏糾結而無法辨認的神經網路。

 

未完待續的華麗冒險

至今科學家仍在持續努力善用GFP,利用DNA基因工程的操作,許多變種GFP陸續被發展,以產生不同的顏色或者變得更穩定。GFP也可以做為一種探測器,用來偵測重金屬:將GFP基因接至會因感應到重金屬而啟動的啟動子之後,再轉殖到細菌之內,當細菌處在具有重金屬的環境中,便會產生綠色螢光。除此之外,將GFP嵌入早期的胚胎細胞內,可以產生具有螢光的動植物,如螢光老鼠和螢光豬。

台大動物科學技術學系吳信志老師的研究室,就有這兩種螢光動物。這些螢光基因轉殖動物,提供幹細胞再生醫學一個很好的辨識系統:將幹細胞轉殖入生物體後,經過誘導分化,幹細胞會形成特定的細胞,但是這樣就無法分辨出原本生物體內的細胞,與轉殖進去後分化成功的細胞,無法確知實驗是否成功。但是這些螢光動物的幹細胞,在分化前後都會表現綠色螢光,提供一個很好的標的,讓科學家去追蹤實驗結果。

另外,因為有了這些繽紛色彩,螢光動植物也被利用在商業方面,例如螢光寵物或是觀賞用螢光植物。但是這些基因轉殖動植物,還存在著基因工程安全與倫理的爭議:這些動植物是否願意被殖入螢光基因而發著綠光走在街頭上呢?但無論如何,GFP的發現與發展,的確讓科學家能藉由螢光標定,更了解生物體或細胞內生命的運作,也對疾病的產生跟治療有更進一步的認識。GFP在這方面的貢獻,是毋庸置疑的。

 

曖曖內含光─綠光的背後

偉大的成就都是許多人長期努力所累積而成,非一人一物一朝一夕可以達到。這次諾貝爾化學獎雖然頒給三位偉大的科學家,但在背後仍須許多人的努力付出,才能促成如此的成就。其中一位代表就是之前提到複製出GFP基因的普瑞舍。

普瑞舍是下村脩的同事,當他分離複製出GFP基因時,便發現到GFP的應用前景,可惜美國國家衛生研究院拒絕了他的研究申請,沒有研究經費的他只好放棄GFP的研究。當時他將GFP基因慷慨無償給予了馬丁.查爾菲與錢永健,因此才有後續的發展。馬丁.查爾菲也提到普瑞舍的偉大貢獻,並說他能獲獎其實應該感謝普瑞舍。普瑞舍後來離開學術界,當他知道GFP獲得諾貝爾獎的消息之後,也給予誠摯的祝福。儘管諾貝爾獎與普瑞舍可說是擦身而過,但相信樂觀與知足,就是生命饋贈他最好的獎賞。

在三位諾貝爾獎得主中,下村脩的歷程較不同於其他兩位:他做了將近二十年的博士後研究員,多年來沒沒無聞,雖然GFP已然如此廣泛地被運用在生物、生技與醫學的領域,但很多人卻不知道GFP最初的發現者是誰,或者是根本搞錯人。但是下村脩一路走來始終如一,他對自己的研究充滿熱誠,而且從中獲得至上的樂趣。

科學的基本精神本於純粹的求知,儘管這些人的研究在當時並沒有即時散發動人的光芒,但正因為這些基礎研究,才使得科學得以成長,也因為這些人的無悔付出,才能讓科學持續發光發亮。

 

 

 

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詳細資料 |

書籍代號:0UAL0005

商品條碼EAN:9789865842796

ISBN:9789865842796

印刷:

頁數:160

裝訂:平裝

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