日期: 2017 年 10 月 7 日

【諾貝爾化學獎.博評】一項科學技術突破 為眾多病症找到療法

醫學進步,仍有許多未解謎團。例如病毒如何入侵細胞?它們的結構為何?最大問題是人類從來未曾清晰看過蛋白質、細胞及病毒等結構,亦不知當中運作。

那麼,為什麼科學家不使用電子顯微鏡直接觀察?電子顯微鏡的確能夠把電子束投射到樣本上而成像,可是電子束的強度會破壞細胞樣本,所以電子顯微鏡看不見存活的細胞,只適用於觀察已死的樣本。一直有科學家不斷發明新的方法觀察生物分子,他們分別於 1982、1985、1987 及 2002 年因相關發明而獲得諾貝爾化學獎,可見觀察生物分子的重要性。

今年諾貝爾化學獎由瑞士洛桑大學的杜博歇(Jacques Dubochet)、美國哥倫比亞大學的弗蘭克(Joachim Frank)及英國劍橋大學的亨德森(Richard Henderson)三人同共獲得,他們的貢獻是研發冷凍電子顯微鏡技術(cryo-electron microscopy),以仔細觀察人類從來未曾看過、幫助了解生物奧秘的蛋白質及細胞的運作。

2017年諾貝爾化學獎得主之一,瑞士洛桑大學的 Jacques Dubochet。(路透社)

為了解決直接以電子顯微鏡觀察帶來的問題,杜博歇把一滴載有細胞樣本的水放到被液態氮冷卻的乙烷中,在零下 196 度,水分子快速冷凍,因為溫度轉變得太快,在水分子未結晶前已經成玻璃般的固態,這樣以電子顯微鏡觀察,就不會看到水的結晶,而可透過如玻璃清澈的水,看到當中的細胞。

同時,水中的細胞可保存其自然狀態,不會變形。電子束亦不會直接投射在樣本上,而是落在水分子上。弗蘭克及亨德森把二維的顯微鏡影像轉成高解像度的三維影像,可以觀察細胞、病毒或蛋白質中細微的分子結構。連續拍攝這些影像,就可以從多角度知道它們內裏的運作。

今年的諾貝爾化學獎不是發現科學的基礎定律,也不是科學家奠立科學理論解釋自然現象,而是透過多年的反複測試,找到最好的觀察生物分子技術。冷凍電子顯微鏡技術讓人類可以觀察最基本的生物分子,包括 DNA 及 RNA 的自然狀態及運作,對藥學發展及研究藥物有重大影響。

去年,科學家懷疑寨卡病毒就是小頭症元兇,就以此技術分析寨卡病毒的結構,以研製藥物及預防疫苗。一篇有關認知障礙症的文章,亦是以此技術探討病症成因的某種蛋白質。相信日後更多的病症,會因為這顯微鏡技術而找到治療方式。

藥物生產成本低,可是研究成本高,單是一台冷凍電子顯微鏡,售價就要 750 萬美元,藥廠牟取暴利前,還是要付出重大成本的。

值得一提的是,今年三位諾貝爾化學獎得主均不是化學家,而是生物物理學家(biophysicist)。生物物理學為近年流行學科,以物理方法研究生物學。現代科學世界之中,跨學科(interdisciplinary)研究十分常見,筆者亦曾研究如何把藥物放入蛋白籠(protein cage/vault)中,人體中每個細胞有數千個蛋白籠,是以不會排斥蛋白籠中的藥物。筆者的論文導師曾以冷凍電子顯微鏡技術為這些蛋白籠拍攝,觀察蛋白籠開關。細胞內的蛋白籠成千上萬,實際功用未明,冷凍電子顯微鏡技術可幫助了解人體奧秘以及醫學發展。

理科分為物理、化學及生物為上世紀舊思維,切莫帶到本世紀。

以電子顯微鏡拍攝蛋白籠,圖像並不明顯,而且蛋白籠在乾的表面上拍攝,不能幫助了解蛋白籠在細胞中的正常形狀。(作者提供圖片)
以冷凍電子顯微鏡拍攝的蛋白籠,由1,300幅原圖所合成,顏色為後期加工。此圖可以看到蛋白籠在細胞內的自然形狀。(作者提供圖片)

資料來源:01博評-百科

撰文: 吳俊熙
發佈日期:2017-10-05 17:12