2017諾貝爾獎系列報導四

破解茲卡病毒!就靠這個奪下諾貝爾化學獎

文 / 問道      2017-10-17

破解茲卡病毒!就靠這個奪下諾貝爾化學獎


2017 年諾貝爾化學獎頒給了三位生物物理學家,Richard Henderson、Joachim Frank、Jacques Dubochet,表彰他們在冷凍電子顯微鏡上的貢獻,尤其是應用在決定生物分子的超高解析結構上。

聽不懂嗎?沒關係,馬上為各位「翻譯」一下。科學家們在研究一項材料的時候,很重要的一點就是要看清楚他們「長什麼樣子」,所以發明了各種觀察儀器,其中大家最熟知的,應該就是光學顯微鏡了。光學顯微鏡利用可見光觀察樣本,讓觀察者能看得最清楚的程度,也就只能到2微米左右,對於更細微的東西,就束手無策了。

直到電子顯微鏡的發展,用電子束代替可見光來觀察樣本,讓解析度提升到了0.25到0.3奈米,終於可以看到更多奈米等級的結構了。以往電子顯微鏡多用在觀察沒有生命的無機物,例如礦物、鋼材、合金、半導體等產業中,因為這些材料的結構鍵結,不易受到電子束的影響。但是電子顯微鏡在分析有機材料上卻有很大的缺點,第一是樣本必須放在超高真空環境;第二,電子束有極強的破壞力;第三,看到的影像是2D平面的。可以想見,前兩項特性,對有生命的樣本極其不利,會造成樣本死亡以及扭曲變形,而平面的影像依然無法讓科學家清楚看到相關樣品的表面蛋白質複雜的結構,所以電子顯微鏡對有機生物材料的研究幫助並不大。

但這三項缺點,在今年獲獎的三位科學家努力之下,一一被破解了。首先,Joachim Frank 開發出的圖像處理技術,讓電子顯微鏡的二D平面圖像能被分析和合併,進而顯示出清晰的三D 立體結構。其次,Jacques Dubochet 發現了可以利用冷凍水技術將生物樣品包裹起來的技術,使得生物分子即使在真空中也能保持「活」的自然形狀。所謂「冷凍水」,是水在極低溫下的一種固化狀態,但絕對不是大家熟悉的「冰」。站在前兩位努力的基礎上,Richard Henderson才終於在1990年成功地利用電子顯微鏡,產生了蛋白質的超高解析三D立體圖像。

冷凍低溫電子顯微鏡技術的進展,近年來在生物醫學領域被廣泛利用,病毒、粒線體、核孔複合體(生物體內最複雜的蛋白質複合體之一)的立體影像陸續建立,科學家們終於知道這些以往神祕難解的蛋白質精密結構,到底長什麼樣子,結構組成是如何。就應用面來說,最大的好處之一,就是可以快速解析出病毒的蛋白質精密結構,了解結構後,就能更快更有效找到破壞它的方式,挽救許多生命。

舉個大家應該記憶猶新的例子。2015年的茲卡病毒迅速流行,造成社會大眾很大的恐慌,因為茲卡病毒會導致胎兒罹患小腦症,令所有孕婦聞之色變。但在冷凍電子顯微鏡技術的幫助下,科學家們只花了幾個月的時間,就得到具有超高解析度的茲卡病毒立體影像,使得研究者可以開始尋找隱藏在它結構中的藥物標靶。

當然,冷凍電子顯微鏡的應用遠不僅如此,接下來科學家可有得忙了,該怎麼利用這項利器來探索科學上的難題,甚至是生命的起源?還另外一件有意思的事,今年的諾貝爾物理獎頒給「重力波」,化學獎頒給「冷凍電子顯微鏡」,這兩項研究剛好是物理界的兩個極端,一個極大,一個極小,但都跟生命的起源有關。不覺得科學真是太有趣了嗎?

獎項/2017諾貝爾化學獎
得主/三位生物物理學家
韓德森(Richard Henderson)、法蘭克(Joachim Frank)和杜巴謝(Jacques Dubochet)

(本文作者為 淡江大學物理學系教授 葉炳宏;首圖來源/nobelprize.org

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關鍵字: 科技全球焦點

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