月份: 2017 年 10 月

最熱門「發電機」…廚餘、豬糞水

嘉義縣義竹鄉養豬畜牧戶張重興與張林素梅夫婦,斥資3000萬元,投資興建全國首座德...
嘉義縣義竹鄉養豬畜牧戶張重興與張林素梅夫婦,斥資3000萬元,投資興建全國首座德國原裝模組及熱電聯產系統生產沼氣的養豬場。 圖/嘉義縣農業處提供

電力是各產業最重視的問題, 近年政府機關或民間業者想辦法「生電」,其中家庭廚餘養豬場糞尿水成為最熱門「發電機」。

彰化縣是全國第3大養豬縣市,40公頃漢寶畜牧場規模全縣第一,豬隻排泄物理應「臭冠全縣」,卻成為彰化第一座由業者自行設置沼氣發電系統示範場。

業者將養豬廢水處理設施產生的沼氣回收發電,讓廢水成為再生能源。目前每年約可發電80多萬度,一年可賣給台電約250萬元。

屏東縣是綠能大縣,除太陽能發電外,蒐集豬糞尿「發功」的沼氣發電也繳出不錯成績,目前全縣有17場畜牧場加入發電行列,其中,中央畜牧場以25000頭豬的飼養量發展195瓩的沼氣發電,並全部自用,總投資約6千萬元,平均每天約可省下一萬元電費,吸引多國環保專家參訪。

另外,屏東縣政府綠能辦公室主任何紹康表示,屏東縣府也與中山大學、成功大學積極在小琉球、鵝鑾鼻海域測試黑潮發電,去年已確定測試成功,未來還要進一步環評,進入商轉,這也是一項特殊發電的案例。

台南市每月收運的廚餘約1800公噸,市府最近與工業技術研究院綠能所合作,在工研院六甲院區設立乾式厭氧沼氣發電示範系統,利用廚餘產生沼氣後發電,本月底開始運作。環保局長林健三表示,未來如果成效良好,將再與民間合作開發商業模式。

台北市環保局副局長盧世昌說,北市一天約有200公噸廚餘,廚餘進入生質能廠處理後,轉換為沼氣,預估一年可發電1188萬度。待明年環境影響評估與工程規畫完成後,再編工程預算,生質能廠預計民國108年施工、110年完工。

嘉義縣義竹鄉養豬畜牧戶張重興與張林素梅夫婦斥資3000萬元,投資興建全國首座德國原裝模組及熱電聯產系統生產沼氣的養豬場,養豬場飼養9950頭豬,豬隻糞尿水透過初步沉澱後,取底部高濃度糞泥進行厭氧發酵,產生的沼氣以德國進口模組化發電機組發電,全數賣給台電,每年發電收益約488萬元。

資料來源:2017-10-24 22:52聯合報 記者林敬家翁禎霞修瑞瑩吳思萍蔡容喬魯永明

椰子油真有助減重、預防心血管疾病還防失智?這 2 種體質請小心攝取

椰子油是近年來非常火紅的油脂,坊間最常被拿來炒作的議題大概就是減重了。市面上可以看見許多椰子油減肥的書籍,很多所謂的「專家」還有藝人、網紅一起宣稱每天只要食用 X 匙椰子油就可以打造「燃脂體質」;除此之外,椰子油在心血管疾病的預防以及失智症上的應用相關的說法,也讓椰子油的支持者們津津樂道。但椰子油到底有沒有這麼神?科學就是有一分證據說一分話,就讓我們用實證醫學的角度來告訴你吧!

在開始剖椰子油的各種「功效」到底到什麼程度之前,我們先好好一起認識「椰子油」到底是什麼樣的油脂。

什麼是椰子油?如果你以為椰子油全是同一種脂肪酸,那你就錯啦!

圖片提供/MedPartner 美的好朋友
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椰子油,顧名思義就是從椰子上面提煉出來的油脂。一般精製的椰子油有 82-92% 為飽和脂肪。油脂是一種由碳鏈構成的有機化合物,碳鏈的長度會影響油脂的性質。千萬不要以為椰子油的組成都是同一種脂肪酸。在椰子油當中,有一半為 12 個碳的月桂酸(Lauric acid),剩下的包括 14 個碳的肉荳蔻酸(Myristic acid)、16 個碳的棕櫚酸(Palmitic acid)、18 個碳的硬脂酸(Stearic acid)以及短鏈脂肪酸(Ref 1, 4)。

而椰子油的等級也有所區分。傳統椰子油的作法是將椰子乾經過精製、漂白、脫臭等過程,最後形成精製的椰子油。現在較新興的為初榨椰子油(Virgin coconut oil),與初榨橄欖油的道理一樣,它不經過上述的加工精製過程,因此比一般精製椰子油含有較豐富的維生素、礦物質及抗氧化物(Ref 5)。

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提倡吃椰子油的人最常提到的就是椰子油富含中鏈脂肪酸,什麼是中鏈脂肪酸呢?中鏈脂肪酸的定義為碳鏈長度 6-12 的脂肪酸,因為分子量較小且是弱電解質,在中性環境中很容易離子化,所以溶解度較佳,但是,此性質主要是存在於碳鏈長度 10 以下的中鏈脂肪酸;此外,一般長鏈脂肪酸需要與蛋白質結合形成脂蛋白,先經過淋巴系統後再進入血液循環。但中鏈脂肪酸被小腸吸收後可以直接通過門靜脈進入肝臟因此吸收的效率較高(Ref 7)。椰子油當中最主要的脂肪酸為碳鏈長度為 12 的月桂酸,以碳鏈的長度來說的確是中鏈脂肪酸,但是在消化及代謝的途徑中,70-75% 的月桂酸會被以乳糜微粒(chylomicron)的形式吸收,此性質比較接近長鏈脂肪酸,相較之下 95% 的中鏈脂肪酸是直接進入門靜脈;且因為碳鏈長度 >10,溶解度也不像其他中鏈脂肪酸這麼好(Ref 4)。因此,各種中鏈脂肪酸的研究結果,並不能直接推論到椰子油上

椰子油對失智症有沒有預防或改善的效果?

主張椰子油對於失智的效用,大部分都是以中鏈脂肪酸為出發點,以下是 4 大常見的理論(Ref 7)

1.中鏈脂肪酸因為不需要經由脂蛋白運送,可直接進入門靜脈,所以可減少堆積在血管壁上的風險,而心血管疾病是阿茲海默症的危險因子之一。

2.中鏈脂肪酸每公克提供 8.3 大卡,比每公克提供 9.2 大卡長鏈脂肪酸少了 10%;多篇人體實驗也發現中鏈脂肪酸可提高代謝率,因此中鏈脂肪酸可以改善肥胖。而肥胖會導致各種慢性疾病包括高血壓、心血管疾病及糖尿病,這些疾病都與阿茲海默症相關。

3.中鏈脂肪酸可以被轉換成為酮體,而生酮飲食目前已經被應用於癲癇治療。腦細胞一般仰賴的能源是葡萄糖,許多研究經由 fluoro-2-deoxy-D-glucose 正子發射斷層掃描發現阿茲海默症患者腦內的葡萄糖利用率較差,而腦細胞除了葡萄糖之外可使用的燃料為酮體,因此推測給予生酮飲食可能對於失智症有好處。

4.阿茲海默症的生成與氧化壓力有關,許多研究建議可以吃含有抗氧化物的天然食物也許可以預防阿茲海默症,而初榨椰子油(非精製椰子油)就富含抗氧化物質

上述推論的前三點,全都是以中鏈脂肪酸為出發點,但是別忘了,我們在文章的一開始就強調,椰子油中最主要的脂肪酸是 12 個碳的月桂酸,而它的代謝途徑比較接近長鏈脂肪酸,因此,不能由中鏈脂肪酸的研究結果就下 「椰子油也會有相同效果」的結論。而關於第四點的抗氧化,除了椰子油之外,還有許多富含抗氧化能力的天然食物,比如富含花青素、維生素 C 的各種水果,或是富含茄紅素的番茄、紅甜椒等等,那麼,也就不是非吃椰子油不可了。

目前使用 Pubmed 輸入關鍵字:Coconut oil and Alzheimer’s diease,出來的結果真正是在講椰子油與失智只有四篇,包括兩篇文獻回顧、一篇細胞研究及一篇前瞻性人體研究,文獻回顧的其中一篇就是我們引用的 Ref 7,我們也將細胞研究以及人體研究與大家分享(這部份較專業,非醫療人員不必強迫自己閱讀,可略過看底下粗體重點):

●細胞研究:研究者分離出生第一天小鼠的大腦皮質神經元以及星狀細胞作細胞,將兩種細胞與目前被認為是阿茲海默症病因的beta-澱粉胜肽(beta-amyloid peptide)以及椰子油一起做培養,結果發現,椰子油可以抑制因beta-澱粉胜肽導致的皮質神經元細胞活力下降、調節因beta-澱粉胜肽而增加的活性氧化物質(ROS)以及cleaved caspase 3、增加神經元細胞及星狀細胞的酮體生成、抑制因為beta-澱粉胜肽所導致在AMPK、Akt、GSK3b和ERK訊息傳遞上的負面影響(Ref 8)。

●人體研究:這篇研究因為只有大綱有英文,內文都是西班牙文,所以只能由大綱看出的內容分享給各位。本篇為前瞻性研究,研究設計是將44位罹患阿茲海默症的受試者分成控制組以及實驗組,實驗組每天攝取40毫升的初榨椰子油,並且以Lobo 等人發表的認知測驗分數(mini test scores Lobo cognitive test)作為認知功能的評斷標準。結果發現,實驗組的迷你認知測驗分數( test score MECWOLF)在以椰子油介入之後顯著地增加,尤其在女性、非糖尿病患者以及疾病較嚴重的受試者身上改善更明顯(Ref 9)。

●細胞實驗看起來似乎椰子油對小鼠的大腦皮質神經元細胞或星狀細胞有許多好處,但是細胞實驗並不能直接推斷到人體身上,畢竟人體構造比單一細胞複雜太多,何況這篇使用的還不是人類的細胞而是小鼠的細胞。而下一篇人體實驗原文是西班牙文,資訊實在太不足,因此不能因為這篇研究就下結論,若本篇研究之後有發表英文版本,我們會再與大家分享更詳細的內容。

關於椰子油對失智的好處,在搜尋文獻後就可以發現,實證的醫學研究可以說幾乎是沒有!而當今網路上、或書籍中都已經把椰子油可以治療失智講得天花亂墜了,希望為了預防失智而想購買椰子油放在家裡的大家,千萬要三思而後行啊!

椰子油能提升代謝並幫助減重?

椰子油與減重最主要會被聯想在一起,也是與中鏈脂肪酸以及生酮飲食相關,近幾年來關於生酮飲食減重法也是相當火紅,不過我們這邊要探討的不是生酮飲食可不可以減重。關於中鏈脂肪酸之所以有助於減重的因素在上一段落已經解釋過,但是同樣的,中鏈脂肪酸的研究結果不可以直接推論到椰子油上,因為椰子油的性質更接近長鏈脂肪酸,這點很重要所以我們已經強調了第三次!

真正以椰子油與肥胖作為關鍵字搜尋後,得到的人體實驗有兩篇,分享如下:

●一篇隨機分組的雙盲實驗以 40 位年齡在 20-40 歲之間,腰圍大於 88 公分的女性為受試者,一組每天攝取 30 毫升大豆油;一組每天攝取30毫升椰子油,介入時間總共 12 週,研究期間兩組都攝取均衡低熱量飲食,並且每天走路 50 分鐘,在飲食介入前一週以及介入完後一週收集資料。結果發現,兩組的體重在介入後都顯著下降;椰子油組的腰圍顯著下降、高密度膽固醇顯著上升;若將兩組相比,則椰子油組的高密度膽固醇顯著高於大豆油組、低密度膽固醇與高密度膽固醇的比值(LDL/HDL)則顯著低於大豆油組(Ref 10)。

●一篇開放標籤的試驗研究以20位身體質量指數(BMI)大於 23 但健康的 24 至 51 歲成人為受試者,當中有7位男性;13位女性。在初始評估後的一週開始進行介入,讓受試者每天分三次在餐前半小時攝取攝取10毫升初榨椰子油,介入時間總共4週。結果發現,男性受試者的腰圍在介入後有顯著下降的情形;體重、體脂肪、血脂肪則在介入前後沒有顯著差異(Ref 11)。

上述的第一篇研究,主要的體重下降是因為熱量控制以及運動,而非介入的油脂種類。而兩篇研究都發現了腰圍下降的狀況,但有趣的是,第一篇研究結果顯示對於體重與腰圍可能有幫助,受試者全為女性;第二篇結果卻是男生的腰圍下降,但女性反而沒有差異。在兩篇研究中產生了不一致的結果。

因此椰子油在「減重」上是否有其功效,或者說「是否比起其它油脂更有效」,這點我們仍然持保留的態度。至少不應該貿然就判斷「椰子油」是比其他油脂適合減重,甚至鼓勵一般民眾用「飲用」椰子油的方式來試圖達到減重效果。

椰子油能預防甚至改善心血管疾病?美國心臟醫學會:不建議!

先前有不少說法提倡椰子油可以預防甚至改善心血管疾病,這些言論的論述基礎在於:

1.中鏈脂肪酸因為不需要經由脂蛋白運送,可直接進入門靜脈,所以可減少堆積在血管壁上的風險

2.初榨椰子油(非精製椰子油)富含抗氧化物質,對於心血管疾病在血管上的發炎反應可能有幫助。

但第一點,剛才已經三次強調,椰子油性質上比較接近長鏈脂肪酸。至於第二點,其實許多初榨的植物油,也都富含抗氧化物質。

有關這點,美國心臟醫學會(American Heart Association, AHA)近期就發表了一篇文章,討飲食中的油脂以及心血管疾病的關係(Ref 1),對椰子油做了評論。結論是:不建議使用椰子油,馬上引起廣大的討論,以下我們將AHA評論的引用的三篇文獻整理給大家(以下提供專業人士閱讀參考,一般民眾可直接看粗體重點):

●第一篇研究招募了 28 位年齡介於 29-67 歲的受試者,當中有 13 位男性、15 位女性,男性的膽固醇平均值為 252 mg/dL、女性的膽固醇平均值為240 mg/dL。研究者將受試者隨機分為三組進行為期四週的飲食介入,第一組攝取奶油、第二組攝取椰子油、第三組攝取紅花油,三組的飲食三大營養素分布為蛋白質 17%、醣類 47%、脂肪 36%。結果發現,介入後三組的總膽固醇分別為 263、249 及 233 mg/dL;低密度膽固醇分別為 175、163 及 151 mg/dL,都是以奶油組最高、椰子油次之、紅花油最低。三組之間的高密度膽固醇沒有顯著差異,但若單獨看女性受試者,則奶油組及椰子油組的高密度膽固醇顯著高於紅花油組。而奶油及椰子油組的 Apo-A1 以及 Apo-B 也都顯著高於紅花油組(Ref 2)。

●第二篇研究以 45 位平均年齡為 30 歲的健康人為受試者,當中有36位女性與9位男性,血膽固醇平均值為 182 mg/dL。在分組前,所有受試者先進行為期三週的標準化飲食,三大營養素熱量比例為醣類 55%、蛋白質 15%、脂肪 30%,接著將受試者隨機分為三組,分別為棕櫚油、椰子油及橄欖油組,各組中的油脂熱量都佔飲食中油脂熱量的2/3,實驗期間三大營養素比例為醣類 50%、蛋白質 20%、脂肪 30%,飲食總熱量為 2000 大卡,介入時間總共五週。結果發現在介入後,椰子油組的空腹總膽固醇、高密度膽固醇及低密度膽固醇皆顯著高於橄欖油組,分別為192及180 mg/dL、53及30 mg/dL、128及118 mg/dL;且在非空腹的血脂肪也有相同的結果。另外,椰子油組的非空腹脂蛋白a(lipoprotein(a))則顯著低於棕櫚油及橄欖油組(Ref 3)。

●第三篇為文獻回顧,總共囊括了七篇研究,都是將受試者隨機分組,攝取椰子油和其他不飽和脂肪比例較高的植物油,並在介入前及介入後抽血做比較。結果發現,七篇研究在飲食介入後,椰子油組的總膽固醇都顯著地較高;六篇研究中椰子油組的低密度膽固醇顯著較高;五篇研究中椰子油的高密度膽固醇顯著較高。七篇研究當中有一篇將低密度膽固醇及高密度膽固醇的比值(LDL-C : HDL-C ratio)作統計分析,發現椰子油組顯著地比玉米油組高;另一篇將總膽固醇及高密度膽固醇的比值(TC : HDL-C ratio)作統計分析,發現椰子油組顯著地比橄欖油組低。因為不是每篇研究都有將低密度膽固醇及高密度膽固醇的比值作統計分析比較,所以要判斷椰子油對心血管疾病的風險還是相當困難,不過在這幾篇研究當中,椰子油組的低密度膽固醇約比不飽和植物油組高了9.3 至39.9 mg/dL。早就有研究顯示,低密度膽固醇每降低 38.7 mg/dL,心血管疾病的罹病率及死亡率就會下降 22%,因此比起使用椰子油,還是比較建議使用不飽和脂肪比例較高的油脂(Ref 4)。

在搜尋文獻的時候,發現 2014 年有一篇文獻回顧認為初榨椰子油可能具有保護心血管的潛力(Ref 5),因此也將這篇研究詳讀了一下。本篇研究中表示初榨椰子油有 59.02-62.27% 為中鏈脂肪酸,包括己酸(6碳 caproic acid)、辛酸(8碳 caprylic acid)、癸酸(10碳 capric acid,)及月桂酸 (12碳 lauric acid)、28-31%為飽和脂肪酸,包括肉荳蔻酸,棕櫚酸和硬脂酸(myristic acid, palmitic acid, and stearic acid)、6.73-8.13% 為不飽和脂肪酸,其中值得注意的是,初榨椰子油中的各種中鏈脂肪酸實際上也是飽和脂肪酸,飽和脂肪應該不只文獻中寫的 28-31%。本篇文獻回顧提到初榨椰子油具有許多多酚類物質,因此具有抗發炎及抗氧化的能力,並且引用了一篇細胞研究及一篇動物研究,表示初榨椰子油有抗凝血及抗發炎的能力。但無論如何,現階段並沒有人體研究可以直接證實初榨椰子油對心血管具有保護效果

本篇文獻回顧中也引用了一 般提倡椰子油的研究者常提到的古老研究(Ref 6):在普卡普卡島(Pukapuka)以及多基琉島(Tokelau)發現,居民們的一大部分脂肪來源為椰子肉,心血管疾病的發生率卻很低,但這說法有盲點啊!要提醒大家的是:住在這兩個原始小島的居民們平時的飲食精製糖極少且富含膳食纖維,這樣的飲食習慣本來對於心血管疾病就有保護效果,且居民們食用的是椰子肉而非椰子油,因此並不能證明椰子油不會造成心血管疾病的風險。

我們可以如何看待椰子油?甚麼人可能不適合吃椰子油?

圖片提供/MedPartner 美的好朋友
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目前椰子油在減重失智的應用上,都還沒有足夠的科學證據支持。而在對血脂肪的影響上,雖然有的研究結果顯示不會有負面影響,但仍然有多篇研究發現椰子油會讓低密度膽固醇上升。主要的核心關鍵應該在於「椰子油的性質其實偏向長鏈脂肪酸且飽和程度很高」。最後想要告訴大家的是,椰子油「並不是絕對不好」,也不是要大家「絕對不要吃椰子油」。有的人可能只是因為喜歡椰子油的特殊香氣所以想吃椰子油,就跟有的人喜歡奶油的味道所以會拿來塗麵包一樣,如果只是因為喜歡味道而有時候品嘗一下,我們當然不會阻止你啊!我們不希望的是,大家因為看了證據不足的報導文章、書籍、電視節目,就一窩蜂購買椰子油大量食用,甚至是特別買來「飲用」啊!椰子油可以是均衡飲食的一部分,但千萬別把椰子油當作什麼保健聖品就是了。

基本上椰子油依然是個天然的食物,大多數的人食用上,只要是正常攝取,不太會有問題,除非是對椰子過敏啦。但是因為椰子油有讓低密度膽固醇上升的風險,所以建議高血脂症、有心血管疾病的患者要注意,別攝取過量喔!

Reference

1. Frank M. Sacks, Alice H. Lichtenstein, Jason H.Y. Wu, Lawrence J. Appel, Mark A. Creager, Penny M. Kris-Etherton, Michael Miller, Eric B. Rimm, Lawrence L. Rudel, Jennifer G. Robinson, Neil J. Stone, Linda V. Van Horn, On behalf of the American Heart Association. Dietary Fats and Cardiovascular Disease: A Presidential Advisory From the American Heart Association. June 20, 2017, Volume 135, Issue 25.

2. Charlotte Cox, Jim Mann,’ Wayne Sutherland, Alexandra Chiisholm, and Murray Skeaff. Effects of coconut oil, butter, and safflower oil on lipids and lipoproteins in persons with moderately elevated cholesterol levels. J. Lipid Res. 1995. 36: 1787-1795.

3. Phooi Tee Voon, Tony Kock Wai Ng, Verna Kar Mun Lee, and Kalanithi Nesaretnam. Diets high in palmitic acid (16:0), lauric and myristic acids (12:0 + 14:0), or oleic acid (18:1) do not alter postprandial or fasting plasma homocysteine and inflammatory markers in healthy Malaysian adults. Am J Clin Nutr 2011;94: 1451–7.

4. Laurence Eyres, Michael F. Eyres, Alexandra Chisholm, and Rachel C. Brown. Coconut oil consumption and cardiovascular risk factors in humans. Nutrition Reviews Vol. 74(4):267–280.

5. Abraham Samuel Babu, Sundar Kumar Veluswamy, Ross Arena, Marco Guazzi & Carl J. Lavie. Virgin Coconut Oil and Its Potential Cardioprotective Effects. Postgraduate Medicine, Volume 126, Issue 7, November 2014, ISSN – 0032-5481.

6. Prior IA, Davidson F, Salmond CE, Czochanska Z. Cholesterol, coconuts, and diet on Polynesian atolls: a natural experiment: the Pukapuka and Tokelau island studies. Am J Clin Nutr. 1981;34(8):1552–1561.

7. W. M. A. D. B. Fernando, Ian J. Martins, K. G. Goozee, Charles S. Brennan, V. Jayasena and R. N. Martins. The role of dietary coconut for the prevention and treatment of Alzheimer’s disease: potential mechanisms of action. British Journal of Nutrition (2015), 114, 1–14.

8. F. Nafar, J.P. Clarke, K.M. Mearow. Coconut oil protects cortical neurons from amyloid beta toxicity by enhancing signaling of cell survival pathways. Neurochemistry International 105 (2017) 64-79.

9. Hu Yang I, De la Rubia Ortí JE, Selvi Sabater P, Sancho Castillo S, Rochina MJ, Manresa Ramón N, Montoya-Castilla I. COCONUT OIL: NON-ALTERNATIVE DRUG TREATMENT AGAINST ALZHEIMER´S DISEASE. Nutr Hosp. 2015 Dec 1;32(6):2822-7.

10. Aldenir F. dos Santos Æ Cyro R. Cabral Jr Æ Telma M. M. T. Floreˆncio. Effects of Dietary Coconut Oil on the Biochemical and Anthropometric Profiles of Women Presenting Abdominal Obesity. Lipids (2009) 44:593–601.

11. KaiMing Liau, Yeong Yeh Lee, Chee Keong Chen, and Aida Hanum G. Rasool. An Open-Label Pilot Study to Assess the Efficacy and Safety of Virgin Coconut Oil in Reducing Visceral Adiposity. International Scholarly Research Network ISRN Pharmacology Volume 2011, Article ID 949686, 7 pages.

本文獲「MedPartner 美的好朋友」授權轉載,原文刊載於此

資料來源:2017-10-03 11:50元氣網 MedPartner 美的好朋友

2017年諾貝爾獎簡介(中文)

本文譯自諾貝爾化學獎委員會公佈給大眾的新聞稿,原文可自以下官方網站取得:
https://www.nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/2017/popular-chemistryprize2017.pdf
若有興趣閱讀進階的資料,請由下列網址取得:
https://www.nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/2017/advanced-chemistryprize2017.pdf

*譯者簡介:
林宇軒於台大化學系碩士班畢業,受教於李弘文教授,於瑞典Umeå大學做過一年交換學生。
曹一允在美國德州農工大學攻讀博士,在Karen Wooley教授實驗室進行研究,除翻譯本文外亦負責將其中圖片中文化。
蔡蘊明現為台大化學系名譽教授。
*感謝台大化學系的蔡明軒幫忙將此文放上化學系的網頁。

將生命捕捉在原子的細節中

Jacques Dubochet (杜波克特)、Joachim Frank (法蘭克)、與Richard Henderson (韓德森)獲得了今年諾貝爾化學桂冠,表彰他們為取得生命分子的三維影像所發展的一種有效方法。運用低溫電子顯微術,研究人員現在能將生物分子在行動中凍結並以原子的尺度描繪之,這種技術將生物化學帶入了一個新的紀元。

過去這幾年,各種生物分子機器令人驚訝的結構充斥在各種科學文獻中(圖一):沙門氏桿菌(salmonella)攻擊細胞所用的注射針;具有抵抗化學治療及抗生素的蛋白質;控制晝夜節律的蛋白質錯合物;光合作用中捕捉光線的反應錯合物以及一個能讓我們聽見的壓力感測器,這些只是現在用低溫電子顯微術(簡稱cryo-EM)顯像的數百個生物分子中的幾個例子。

當研究人員開始懷疑茲卡(Zika)病毒是造成巴西新生兒腦部損傷的流行病元凶時,他們利用cryo-EM來觀察這個病毒,在幾個月內就得到具有原子解析度的病毒三維影像,使得研究者能開始尋找其結構中潛在的藥物標靶。

圖一 過去這幾年研究工作者發表了許多複雜的蛋白質錯合物結構 a. 一個控制晝夜節律的蛋白質錯合物 b. 一個讀取耳內壓力變化的感測器,讓我們聽到聲音 c. 茲卡(Zika)病毒

杜波克特法蘭克、與韓德森等人突破性的發現,成就了cryo-EM的發展,這個方法帶領生物化學進入了一個新的紀元,讓它比以前更容易捕捉生物分子的影像。

影像-獲取知識的重要關鍵

在20世紀前半頁,生物分子 – 蛋白質、DNA以及RNA – 仍是生物化學的地圖中一塊未知的新大陸。科學家知道這些分子在細胞內扮演著十分重要的角色,但卻對它們的外觀毫無概念。直到1950年代,劍橋大學的科學家們把蛋白質結晶放到X射線底下,才能夠第一次看出其波浪和螺旋形的結構。

1980年代早期,X射線晶體學與核磁共振譜法(NMR spectroscopy)分別用來研究固體和溶液中的蛋白質。這種技術不只揭示了蛋白質的結構,也暴露了它們如何移動以及與其它分子相互作用。

多虧了這兩種方法,現在我們有包含數千種生物分子模型的資料庫,能夠用於從基礎研究到藥物發展的各個領域。然而,這兩種方法都有其根本上的限制。溶液的核磁共振譜法只適用於比較小的蛋白質,X射線晶體學則需要分子形成結構整齊的晶體,像是水結成冰一樣,而這些晶體影像就像早期相機取得的黑白肖像 – 它們僵硬的姿態幾乎無法顯示出蛋白質的動力學。

此外,很多分子無法自行排列形成晶體,這讓韓德森在1970年代放棄了使用X射線晶體學 – 這也正是2017年諾貝爾化學獎故事的開端。

晶體的諸多問題使韓德森轉換跑道

韓德森的博士學位是在X射線晶體學的堡壘 – 英國劍橋獲得的。他運用X射線晶體學使蛋白質成像,但在試圖結晶一種天然嵌入細胞膜中的蛋白質時碰了釘子。

膜蛋白是相當難以處理的,當它們從原本環境的細胞膜中移除時,經常會堆積成一團無用的物質。韓德森研究的第一個膜蛋白相當難以製備足夠的量,第二個膜蛋白則是無法結晶。經過多年的挫敗,他決定轉向唯一可行的替代方案:電子顯微鏡。

當然電子顯微術是否真是一個替代方案這點,在當時仍是可議的。穿透電子顯微術,正如其名,運作類似普通的顯微鏡,不過卻是用電子束而非光來穿透樣品。因為電子的波長比可見光小得多,電子顯微鏡能夠看到非常小的結構 – 甚至是個別原子的位置。

因此,理論上電子顯微鏡的解析度應該遠高於韓德森用來研究膜蛋白的原子結構所需的解析度,但實際上這個計畫幾乎不可行。1930年代電子顯微鏡發明時,科學家認為這種技術只適用於非活體,因為高解析度影像所需的高強度電子束,會燒毀生物材料。但若減弱電子束的強度,影像則會失去對比度而變得模糊。

除此之外,電子顯微術需要真空環境,這條件之下生物分子會因周遭水分蒸發而變質。生物分子乾燥之後會折疊並失去原本的結構,使得到的影像失去意義。

幾乎種種跡象都表明韓德森會失敗,但這個研究計畫被他選擇的特殊蛋白質“菌紫質”拯救了。

韓德森而言迄今最好的還不夠好

菌紫質是一種光合生物體中嵌入細胞膜的紫色蛋白質,用以攫取來自太陽光的能量。並非像先前一樣把敏感的蛋白質從細胞膜分離,韓德森和他的同事直接把整個紫色的細胞膜放到電子顯微鏡底下,這樣被細胞膜包圍的蛋白質會保持原本的結構。他們在樣品表面加上葡萄糖溶液,用來保護蛋白質不在真空底下乾掉。

強烈的電子束是一個主要的問題,而其研究人員利用菌紫質分子堆疊在細胞膜中的特性解決了。他們並未使用全劑量的電子轟擊,改以較弱的電子束流過樣品。雖然這樣拿到的圖像並沒有很好的對比度,也沒辦法看清個別分子,但這種蛋白質整齊堆疊成相同方向的特性,讓研究人員知道所有蛋白質繞射電子的模式應該幾乎相同,由此他們能夠從繞射圖中計算出更詳細的影像 – 類似X射線晶體學中使用的數學方法。

下一個階段中,研究人員轉動電子顯微鏡底下的細胞膜,得到許多不同角度的影像。利用這個方法,在1975年建構了菌紫質結構的粗略3D模型(圖2),顯示蛋白質鏈是如何在細胞膜內穿越七次。

這是當年有史以來用電子顯微鏡得到的蛋白質影像中品質最好的,那7埃(0.0000007毫米)的解析度在很多人心目中留下了深刻的印象。不過這對韓德森而言還是不夠,他的目標是能夠達到X射線晶體學所能提供的解析度,也就是大約3埃,而他堅信電子顯微術還可做得更好。

圖二 於1975年發表的第一個菌紫質(bacteriorhodopsin)的粗略模型(圖來自於Nature 257: 28–32)

韓德森得到第一個原子解析度的影像

在接下來的幾年,電子顯微術的技術逐漸進步。鏡片變得更好,加上冷凍技術的進展(我們後續會談到),在測量過程中用液態氮冷卻樣品,防止它們被電子束損壞。

韓德森逐漸在菌紫質的模型中添加更多細節。為了獲得最清晰的影像,他尋找著世界上最好的電子顯微鏡。每個電子顯微鏡都有個自的缺點,不過彼此之間有辦法相互補足。終於,在1990年,也就是發表第一個模型的15年後,韓德森達到了他的目標,並發表了一個解析度到達原子尺度的菌紫質結構(圖3)。

圖三  於1990年韓德森發表了一個解析度到達原子解析度的菌紫質結構

他因此證明了cryo-EM可以提供與使用X射線晶體學相同細節的影像,這是個關鍵的里程碑。然而,這個進展是建立在一個特殊的情況:蛋白質能夠自然地在膜中整齊堆疊。很少有其它蛋白質以這種方式自發地排列。問題是這種方法可否推廣:能否使用電子顯微鏡從隨機分散在樣品中並以不同方向排列的蛋白質產生高解析度3D影像?韓德森相信有辦法做到,然而其他人卻覺得這只是個烏托邦的理想而已。

在大西洋的另一側,美國紐約州衛生署的法蘭克長期以來也一直在尋找解決這個問題的方案。1975年,他提出了一個理論上的策略,顯微鏡二維圖像中顯然只能得到的少數資訊,可以合併得到三維高解析度的影像。他花了超過十年的時間實現了這個想法。

圖四 法蘭克的三圍結構影像分析

法蘭克去蕪存菁的影像分析法

法蘭克的策略(圖4)是將電子顯微鏡所得方位紊亂之蛋白質的微弱影像,利用電腦將之與背景區別開來。他開發了一種數學方法,使電腦能夠辨識出影像中不同的重複圖形。接著,電腦將相似的圖形分類到同一組,並將這些圖形中的訊息合併,產生出平均的、更清晰的影像。藉由這個方法,他得到了一些同種蛋白質但從不同角度照出來的高解析度二維影像。該軟體的演算法於1981年完成。

下一步,是在數學上確定不同的二維影像如何彼此相關,並且基於這些訊息建立出三維影像。法蘭克在1980年代中期出版了這個部分的影像分析方法,並用它產生出核醣體表面的模型,那是細胞內製造蛋白質的巨大分子機械。

法蘭克的影像處理方法是cryo-EM的重要發展。現在讓我們跳回到幾年前 – 在1978年,當法蘭克將電腦程式優化得更完美的同時,杜波克特被招募到了海德堡的歐洲分子生物學實驗室,以解決另一個電子顯微鏡的基本問題:生物樣品暴露於真空時,是如何乾燥與損壞的。

杜波克特將水變成玻璃

1975年,韓德森使用葡萄糖溶液來保護細胞膜以避免脫水,但是這種方法對水溶性生物分子無效。其他研究人員試圖冷凍樣品,因為冰比水蒸發得慢,不過冰晶會使電子束受到嚴重干擾,使得影像無法分析。

水的汽化是一個主要的難題,然而,杜波克特想到了一個可能的方法:快速將水冷卻,使水分子以液體的形態固化,形成玻璃而不是晶體。玻璃看起來是固體材料,但實際上卻是一種流體,因為它的分子呈現無序的排列。杜波克特意識到,如果他能夠將水形成玻璃 – 也稱為玻化水(vitrified water) – 電子束將平均地繞射,並產生均勻的背景影像。

一開始,研究團隊試圖在液氮中 -196 °C 下將微小水滴玻璃化,但只有當他們改用被液態氮冷卻的乙烷時,實驗才會成功。在顯微鏡下,他們看見了一個過去不曾見過的滴狀物,他們起初認為是乙烷,但是當溫度稍微升高時,分子突然重新排列,形成了一個熟悉的冰晶結構。這可說是一大勝利 – 特別是有些研究人員曾斷言不可能使水滴玻璃化。我們現在相信,玻化水是宇宙中最常見的水之結構。

一種求取對比的簡單技術

1982年的突破之後,杜波克特的研究小組迅速開發出了目前仍用於低溫電子顯微鏡的技術基礎(圖5)。他們將生物樣品 – 最初是不同形式的病毒 – 溶解在水中,然後將溶液以薄膜的形式鋪展在細金屬網目上。他們使用一種似弓的裝置將金屬網目射入液態乙烷中,使薄膜中的水玻璃化。

1984年,杜波克特發表了許多不同病毒的第一張影像,圓形和六邊形的高對比病毒影像襯托在玻化水的背景中。用於電子顯微鏡的生物材料樣品現在可以更容易地製備了,研究人員們趕快敲著杜波克特的大門來學習新技術。

圖五 杜波克特的玻化法

從團塊學到革命性的進展

至此,cryo-EM最重要的一塊拼圖已經到位,但影像解析度仍然很差。1991年,當法蘭克杜波克特的玻璃化方法製備核醣體並用自己的軟體分析圖像時,他獲得了一個空間解析度為 40埃的三維結構。這對電子顯微術來說,是一個驚人的進步,但影像只能顯示核醣體的輪廓。坦白說,它看起來像一群團塊,影像遠遠比不上X射線晶體學的原子級解析度。

由於cryp-EM除了看到不平坦的表面之外,很少能將結構細節顯像出來,所以該方法有時被戲稱為「團塊學(blobology)」。然而,電子顯微鏡的每個螺帽和螺絲逐漸被優化,這最主要是由於韓德森固執地保持其遠見:電子顯微鏡將有一天能例行地提供顯示到單個原子層次的影像。解析度一個埃一個埃往前拓展,最終在2013年使用了一種新型的電子探測器,克服了最後的技術障礙(圖6)。這些進步有賴下列的一些發展:訊號偵測器的進步,導致訊號/雜訊比例以及空間解析度的大幅提升;電子槍的改進;新式相位板有助於相位處理;數據收集的自動化;影像處理技術的改進以及電腦程式的開發。

圖六 電子顯微鏡的解析度在近幾年大幅提升,從大多為模糊無形狀的一團影像,進化成能以原子級的解析度觀察蛋白質(影像來自於Martin Högbom,斯德哥爾摩大學)

細胞中任何隱藏的角落皆可探索

現在夢想已經實現,我們正面對著生物化學中爆炸性的發展。使得cryo-EM之所以如此的具有革命性是因為它的許多優點:杜波克特的玻化方法容易使用並且只需微量的樣品,由於其快速冷卻的方式,生物分子能在行動中被凍結,使得研究者能捕捉到反應過程中一系列的影像,如此他們能取得暴露出蛋白質如何行動並與其它分子作用的“影片”。

運用cryo-EM也使得我們遠較以往更容易描繪膜蛋白,它們常扮演藥物的標靶角色以及形成巨大的分子錯合物。不過小分子無法用電子顯微術來研究,但它們可運用核磁共振譜法或X-射線晶體學來顯像。

在法蘭克於1975年提出其廣泛影像處理方法的對策之後,一位研究者寫道:「如果這個方法能完美化,那麼就如同一位科學家所說的,只有天空才會是我們的極限(任何事情都是可能的)」。

現在我們已經到了那兒 – 天空的極限。透過杜波克特法蘭克、與韓德森等人的研究,帶來了“人類最大的利益”。每一個細胞的角落均可捕捉到原子層次的細節,而生物化學已經準備好迎接一個精彩的未來。

資料來源:林宇軒,曹一允,蔡蘊明合譯 於2017年十月五日

(歡迎轉載,但請引述本網址:https://www.ch.ntu.edu.tw/nobel/2017.html)