石墨烯氧化物能促進細胞生長

本文轉載自中央研究院「研之有物」，為「中研院廣告」

• 採訪撰文｜張琬婷
• 責任編輯｜簡克志
• 美術編輯｜蔡宛潔

水能被擠壓成冰？

水在攝氏零度以下會結冰。然而，當水被擠壓到極限時，會形成二維的奈米薄冰，不僅室溫下穩定存在，還有從未見過的鐵電特性（Ferroelectricity），而石墨烯則是實現這種擠壓條件的關鍵。中央研究院「研之有物」專訪院內原子與分子科學研究所的謝雅萍副研究員，她與我們分享了實驗室如何意外發現這層特殊的二維薄冰，以及團隊如何利用二維薄冰的鐵電特性製作有記憶電阻功能的奈米元件，研究成果發表在科學期刊《自然通訊》（Nature Communications）。

奈米尺度下，物質特性會跟著改變？

謝雅萍的主要研究題目之一就是合成新穎的二維材料，這是奈米科技的領域。奈米是什麼？奈米（nanometer）是長度單位，即 10^-9 公尺，一根頭髮的直徑長度約為 1 奈米的十萬倍。奈米尺度之下，很多物質的特性會隨之改變，最常見的例子是「蓮花效應」，因為蓮花葉上具有奈米等級的表面結構，為蓮葉賦予了疏水與自我清潔的特性，髒污與水珠都不易附著在蓮葉上。

奈米材料（nanomaterial）是指三維尺寸的材料，至少有一個維度的尺寸小於 100 奈米。只縮小一維，就是平面的二維材料（2D），例如石墨烯；縮小兩個維度，就是奈米線（1D）；三維都縮小，就是零維的奈米顆粒（0D）。

奈米科技（nanotechnology）的概念最早可追溯到 1959 年美國物理學家理查費曼（Richard Feynman）在演講中提出的願景「為什麼我們不能把大英百科全書全部寫在一根針頭上呢？」。1974 年日本科學家谷口紀男則是首度創造「奈米科技」這個詞的人，他認為奈米科技包括原子與分子層次的分離、固定與變形。

過去有不少科學家嘗試奈米材料的研發，但受限於製造技術不成熟，而無法順利製作出精細製程的奈米材料。1981 年，在掃描隧道顯微鏡（Scanning Tunneling Microscope, STM）發明之後，不僅有助於材料的微觀分析，操縱單個原子和分子也成為可能，奈米科技也逐漸實現。

無處不在的奈米科技？

我們生活周遭的奈米科技俯拾即是，從大賣場商品到半導體產業的電子元件都有。謝雅萍舉例：防曬霜之所以是白色，是因為裡面有二氧化鈦的奈米顆粒；許多塗料與噴漆亦會以奈米添加物，來增進耐蝕、耐磨、抗菌與除汙的特性，例如汽車鍍膜或奈米光觸媒；羽球拍或牙醫補牙會使用奈米樹脂，讓球拍和補牙結構更堅固。

至於半導體產業，奈米科技更是關鍵。透過縮小元件尺寸以及調整奈米元件的幾何形狀，以便於在單一晶片上乘載更多電晶體。「當今的電晶體大小皆是奈米等級，製作電子元件就等同在處理奈米科技的問題」，謝雅萍說道。

實驗中的難題，反而促成驚奇發現？

鐵電性是什麼？二維奈米薄冰有哪些可能的應用方式？

對謝雅萍來說，發現二維的奈米薄冰是個意外的驚喜。最初謝雅萍團隊其實是要製作以石墨烯為電極的開關，畢竟石墨烯是實驗室的主要研究項目，理論上當兩層石墨烯很靠近時，分別給予兩端電壓會是導通的「ON」狀態，沒電時就是斷開的「OFF」狀態。

然而，實驗過程中團隊卻發現當電壓為零時，石墨烯開關仍會導通，甚至要給予負電壓時才會成為 OFF 狀態。這個奇特的現象讓研究團隊苦惱許久，嘗試思考了各種可能性，但都無法完善的說明此現象。

「原本以為實現石墨烯開關應該是一件能夠很快完成的題目，沒想到過程中卻出現了這個意料之外的難題，因此這個研究比預期多花了一兩年」，謝雅萍無奈地笑道。

靈感總是突如其來，某次謝雅萍在與朋友討論研究時，突然想到一個可能的方向：「一直以來都有人猜測水是否為鐵電材料，但都沒有真正證實。臺灣氣候潮濕，開關關不緊會不會就是水的影響？」

設計實驗跑下去之後，謝雅萍團隊終於擺脫了一直以來的疑雲。原來，兩層石墨烯結構中，真的有水分子的存在！「一般水分子用手去捏，還是會維持液體的狀態。但是我們發現，當水被兩層石墨烯擠壓到剩下原子厚度時，水分子就會變成具有鐵電特性的二維薄冰！」，謝雅萍開心地說道。

換句話說，當極限擠壓之下，水會結成冰，而這層超薄的平面奈米薄冰會轉變成鐵電材料，而且可以在室溫下穩定存在！

鐵電材料乍聽之下很抽象，謝雅萍表示：「相較於會吸磁鐵的鐵磁材料，大多數人對鐵電材料比較不熟悉，其實概念十分相似」。她說，鐵磁材料經過外加磁場的「磁化」之後，即使不加磁場仍可維持原本的磁性。相對地，鐵電材料經過外加電場的「極化」之後，即使不加電場仍可維持原本的電荷極化方向。

謝雅萍團隊發現的二維冰具有鐵電性，這意味著水分子的正負極在外加電場之下會整齊排列，形成一個永久的電偶極，並且在電場消失後保持不變。

接著，謝雅萍發現，二維冰的鐵電性只存在於單層原子，增加多層原子之後，鐵電性會消失，變成普通的冰，這是因為多層原子的交互作用會打亂原本的極化排列。因此研究團隊發現的二維冰，是非常特殊的固態水，不是手搖飲加的冰塊那麼簡單。

因為石墨烯的擠壓和固定，二維冰可以在室溫下穩定存在，不會蒸發。謝雅萍團隊實驗發現，要升溫到攝氏 80 度，被夾住的二維冰才會變成水。如此大範圍的操作溫度，這讓謝雅萍開始思考將二維冰作為鐵電材料使用的可能性。

於是，謝雅萍團隊嘗試開發新型的電子元件，他們將二維冰與石墨烯整合成機械式的奈米開關。由於二維冰具有鐵電特性，在施加不同外加電壓之後，元件可以維持上次操作的電阻值，並保留至下次操作，有這種特性的元件稱為「憶阻器」（memristor）。

憶阻器這個詞是由記憶體（memory）與電阻（resistor）組合而成，字面上的解釋便是：具備記憶先前電阻值的能力。

謝雅萍表示：「我們可以藉由不同的外加大電壓寫入電阻值，再以微小電壓讀取之前的電阻值，允許快速存取」。而單獨一個二維冰奈米開關可以記住 4 個位元的資料，具備未來記憶體的發展潛能。

此外，二維冰奈米開關也是很好的開關裝置，團隊驗證導通電流和截止電流的比值可以達到 100 萬，開路和斷路的功能極佳，並且允許雙向操作。而開關的功能經過 1 萬次循環還不會衰減，相當穩定。

謝雅萍團隊是全世界第一個證實二維薄冰鐵電性的團隊，並實現第一個以石墨烯為架構的二維冰機械式憶阻器。她的團隊將往新穎二維材料的方向繼續邁進，目前實驗室有和台積電（TSMC）合作，希望透過產學合作，將更多奈米技術的應用落地實現。

與二維材料實驗的相遇？

謝雅萍目前除了是中研院原分所的副研究員，同時也是國立臺灣大學 MY Lab 實驗室的共同主持人，她和人生伴侶 Mario Hofmann 教授共同指導的 MY Lab 發揮了 1+1>2 的效果，創意與想法的激盪和交流，是產生傑出研究的關鍵。

回到碩博士時期，謝雅萍都在臺大物理所，鑽研材料的光電性質與新穎光電元件的機制。她回憶：「當時我們都要向化學系要材料，他們給什麼我們就得用什麼，但難以了解整個材料製造的細節。」後來她體認到，擁有製造材料的調控能力才能真正突破元件設計上的侷限。

謝雅萍在博士班時申請到了千里馬計畫，讓臺灣博士生獲得國科會補助前往國外頂尖研究機構，進行為期約半年至一年的研究。「我認為這個計畫非常好，也可以幫助學生建立重要人脈！」在指導教授引薦下，謝雅萍因緣際會進入美國麻省理工學院（MIT）的二維材料實驗室，自此與二維材料結下不解之緣，她認為：「好材料與好元件是相輔相成的，前瞻材料更是如此。」

「我到了 MIT 之後，深刻體悟到他們做研究的態度與臺灣學生的不同。臺灣學生像是把研究當作一份工作，然而我在 MIT 時就感受到他們學生對於自身研究的熱忱。討論風氣也非常盛行，學生之間會互相分享自己的研究內容，互相幫忙思考、激盪出新想法」，謝雅萍分享自己在 MIT 時期的觀察。

當年二維材料還在萌芽階段，她所在的 MIT 實驗室已是此領域的佼佼者，她也因此立下了目標：「希望未來我有能力時，能夠自己掌控自己的材料做出好元件！」如今，謝雅萍正走在自己目標的道路上，過去認識的朋友也都是各頂尖大學的二維材料實驗室主持人，直到現在都還會互相幫忙。

從物理到二維材料，身處這些男性為主的學術環境，謝雅萍顯得自在，而且積極參與討論和交流。「我發現女科學人會把自己變得較中性，讓自己融入整個以男性居多的環境中，才不會在團體中有突兀的感覺」，她分享道。

謝雅萍的實驗室 MY Lab，是與臺大物理系 Mario Hofmann 教授共同主持的奈米科技實驗室，他們除了是工作上的夥伴，更是人生中的最佳拍檔！當初兩人就是在美國麻省理工大學 MIT 相識，再一起回到臺灣。

讓「研之有物」團隊好奇的是：這種共同主持的模式與一般實驗室相比，是否有特別之處？

「從多個面向而論，我認為都是 1+1>2 的」，謝雅萍說道，「實驗室會有兩倍的資源、儀器、計畫與兩倍的人脈。遇到一個題目，兩個人思考時會從不同的觀點切入。即便是夫妻，我們在研究上看的面向也都不一樣，因此可以激盪出許多有趣的想法」。

她補充，不僅對實驗室本身而言，對學生也有很大的好處，「因為學生的研究必須同時說服我們兩個人，代表學生的研究成果會非常扎實，也可以為學生帶來信心。」重要的是，「學生也會得到兩倍的照顧與關愛，我覺得我們的學生是蠻幸福的」，謝雅萍笑笑地說。

為了理解染色體異常細胞對鑲嵌型胚胎的影響，我們必須要創造出數百個小鼠胚胎，並研究數千個胚胎不同部位的細胞。這麼龐大的工作量需要有一位專職的科學家，也需要資金。

在匯整如何測試這個假設的思緒時，我在絨毛膜採樣檢查後又進行了另一個羊膜穿刺檢查，這個檢查一樣在超音波影像的引導下，將針插入包圍發育胎兒的羊膜囊中，以取得少量的透明羊水樣本來進行分析。保護胎兒的羊水會帶有胎兒細胞，可以用來確認是否具有染色體問題。這次的檢查結果是沒有問題的，我們都鬆了一口氣。不過，得要到我把孩子抱在手上那時，我才能百分之百地放心。

還有其他的好消息是，我有了資源可以進行了解我檢查結果的研究。我在發現懷孕那天所進行的面試，讓我獲得惠康基金會的資深研究補助金。這筆補助金原本打算用在另一個計畫上，不過他們給我足夠的自由度，可以直接挪用其中部分資金來為鑲嵌型胚胎建立模型。

如何製造染色體異常的細胞？

我們有一大堆事情要做。首先，我們得要找到一種可信的方式（最好不只一種）來製造染色體異常的細胞。然後我們還要找到一種方式來標記這些細胞，好讓它們在正常細胞旁發育時，我們可以追蹤到它們。製造異常細胞比我們原先所想得更加困難。海倫測試許多種不同的方法來干擾染色體分離的過程，我們最後用到一種名為逆轉素（reversine）的藥物，這是我們實驗室中另一個研究計畫使用過的藥物。

逆轉素是種小分子抑制劑。我們想要使用逆轉素來抑制染色體分離中的一個關鍵過程。那是一個分子檢查點，在正常情況下會暫停細胞分裂（有絲分裂），直到有正確數目的染色體（帶有 DNA）被拉開，並分離到兩個不同的子細胞間為止。逆轉素會阻斷名為單極紡錘體蛋白激酶（monopolar spindle 1 kinase）的酵素，而這種酵素會在細胞分裂時確保染色體公平分配。

為了確認逆轉素確實會造成染色體異常，我們經由標記隨機選出的三個染色體來分析有用藥及無用藥的胚胎。我們所使用的標記方法名為螢光原位雜合技術（fluorescence in situ hybridization, FISH），這種技術會外加一個探針（短 DNA 序列）及一個螢光標記。當探針在樣本中碰到類似的 DNA 片段時，就會在螢光顯微鏡下發光。經由螢光原位雜合技術的追蹤，確認了海倫使用逆轉素後，確實會增加染色體異常胚胎的數量。

逆轉素的效用是暫時性的，海倫一把藥劑洗掉，檢查點就恢復正常功能。這很重要，因為這表示我們可以將胚胎染色體異常的發生限制在特定的發育期間內。

染色體異常的胚胎能正常發育嗎？

確信可以製造出染色體異常的胚胎後，我們需要確定這些施用過逆轉素的胚胎是否會完全發育。海倫對四細胞胚胎施用逆轉素，並觀察到在發育 4 天後，它們的細胞數量比未施藥的胚胎要來得少。不過雖然細胞數量較少，還是可以形成三組基本的細胞世系。

為了找出施用內逆轉素的胚胎是否可以長成小鼠，我們將這些胚胎植入母體中。這個時間點是在我們創造出體外培養胚胎的技術之前。每 10 個正常胚胎有 7 個會著床，而這個比例在施藥後的胚胎上則降了一半。最重要的是，施用逆轉素的胚胎沒有一個能夠成長為活生生的老鼠。這個實驗顯示，當胚胎中大多數的細胞都出現染色體異常時，它們的發育最終會以失敗收場，即使它們著床了、也發育了一陣子。

製造同時有異常與正常細胞的胚胎

現在我們可以進一步來探討那個重要的問題：若是只有部分胚胎細胞帶有染色體異常，發育又會受到何種程度的影響？為了找出答案，我們必須製造出鑲嵌型胚胎，也就是混合了染色體異常細胞與染色體正常細胞的胚胎。因此我們決定經由製造嵌合體來達到這個目的。

因為我們無法在對同個胚胎施用逆轉素時只讓其中一些細胞出現染色體異常，所以無法經由這個方式製造出鑲嵌型胚胎，因此我們想到了運用嵌合體的作法，將來自不同胚胎的細胞結合建構成嵌合體（鑲嵌型胚胎是由單顆受精卵生長發育而成的）。創造嵌合體而非鑲嵌型胚胎的好處是，我們可以系統性地去研究要具有多少異常細胞才會干擾到發育。很幸運地，這個作法成功了。

海倫在小鼠胚胎從兩細胞階段分裂到四細胞階段時，經由口吸管的方式施用逆轉素，並在八細胞階段將細胞一個個地分開。然後她將來自正常胚胎的四個細胞與來自施藥胚胎的四個細胞結合創造出八細胞嵌合體胚胎。

我們要追蹤細胞的命運就需要標記。我朋友凱特．哈迪安東納基斯（Kat Hadjantonakis）與金妮．帕帕約安努在紐約對小鼠進行基因改良，讓牠們的細胞核具有綠色螢光蛋白，所以我們就採用了具有這種特性的小鼠。我們將這類小鼠胚胎施予逆轉素，施過藥的細胞會與未施過藥的細胞有不同的顏色，這樣我們就可以做出區別。具有綠色螢光蛋白的細胞讓我們可以明確看到新細胞是在何時與何處誕生以及新細胞的後續分裂，還有，若是細胞死亡了，我們也可以看到是在何時與何處死亡的。我們可用此種方式為個別細胞建立「譜系圖」。

染色體異常細胞在胚胎發育過程中會被清除嗎？

我們為這些鑲嵌型胚胎拍攝了影片，以精準追蹤每個細胞的命運。海倫在螢幕上看見，異常細胞數量的下降主要發生在產生新個體組織的那一部分胚胎，也就是上胚層。這些異常細胞會在凋亡的過程中死去，也就是經歷程序性的細胞死亡。在注定成為胚胎本體的那一部分胚胎中，施用過逆轉素的細胞經歷凋亡的頻率是未施藥細胞的兩倍以上。

這個結果表示，在注定成為胎兒的那一部分胚胎中，異常細胞有被清除的傾向。這支持了我的假設，也就是在這一部分的胚胎中，異常細胞競爭不過正常細胞，不過實際運用的機制跟我原來所想的不一樣。

我簡直不敢相信。這是我們真的會研究出重要成果的第一個徵兆，發育中的胚胎不僅可以自我建構，也同樣可以自我修復。幾年前當我懷著賽門那時，絨毛膜採樣檢查所檢測到的染色體異常細胞的後代，有沒有可能在成長為賽門的那部分胚胎中自我毀滅了呢？

——本文摘自《生命之舞》，2023 年 9 月，商周出版，未經同意請勿轉載。

美國研究人員發現，石墨烯氧化物(graphene oxide)不像先前研究認為能抑制細菌滋生，反而促進了細菌與哺乳動物細胞的成長。過去有實驗顯示石墨烯氧化物對某些微生物有毒性，但對人體無害。此新研究的不同結果將有助此材料在生物醫藥與生物科技上的應用，如組織工程學的人體細胞再生，或增加生物製藥的產量。

俄亥俄州空軍實驗室Christopher Bunker所領導的團隊主要研究石墨烯氧化物是否如先前研究顯示那樣具有抗菌特性，及其對哺乳動物細胞的影響。結果卻發現塗佈石墨烯氧化物的表面並無抗菌能力，反而促進細菌跟哺乳動物細胞的生長。該研究團隊包含了俄亥俄州的University of Dayton Research Institute，和南卡羅萊納州的Clemson University的科學家。

他們檢測了許多不同狀況下細菌生長的情形，例如將細菌培養於塗佈不同濃度的石墨烯氧化物之表面、培養於石墨烯氧化物薄膜(graphene oxide films)上，以及把石墨烯氧化物加到培養液中，然後利用定量即時聚合酶鏈鎖反應(quantitative real-time, qPCR)來偵測細菌數量。Ruiz表示，qPCR能在相當大的濃度範圍中精確地定量細菌的DNA。他們同時也使用掃描式電子顯微鏡來觀察細菌生物薄膜的特徵。

該團隊發現，將石墨烯氧化物添加到培養液中，能加速細胞的生長，並且提高細胞培養的密度，同時促使細菌形成較厚的細菌生物薄膜(biofilm)，此薄膜含有細菌和胞外聚合物基質(extracellular polymeric substance)。對於哺乳動物細胞的檢測，則是用光學顯微鏡來觀察細胞如何附著於石墨烯氧化物薄膜上，比較石墨烯氧化物存在與否時的細胞生長情形，並計算數量。

Ruiz表示，石墨烯氧化物能刺激細胞快速有效生長的特性，未來也許能發展出許多生物科技或生物製藥上的應用，如參與組織工程中的細胞培養、加速傷口修復或製作生物反應器(bioreactor)以增加生物製藥量或生質能源的產量等。研究人員探討石墨烯氧化物的真實性質，並解釋與先前文獻相矛盾的部份，最終希望能將石墨烯氧化物應用在生物科技上。詳見ACS Nano｜DOI: 10.1021/nn202699t。

譯者:潘慧娟(陽明大學臨床醫學研究所)
責任編輯:劉家銘

本文來自奈米科學網

本文轉載自諾貝爾化學獎專題系列，原文為《【2003 諾貝爾化學獎】細胞膜的分子通道》

• 譯者／蔡蘊明｜台大化學系名譽教授

譯者前言：今年的諾貝爾化學獎頒給了兩位醫生，或許有些奇怪，然而仔細的去瞭解他們所做的工作就會發現，其實他們的研究已經深入到了原子的層次，那不是化學又會是什麼呢！這其實也告訴了眾多對生命科學有興趣的年輕人，其實真正精采的還是在這個化學的層次。考慮加入我們吧。

所有的生命體都是由細胞所構成，一個人身上所擁有的細胞數目就好像銀河中的星星一般，約有上千億個，在每一個人身上，例如肌肉，腎臟與神經等不同的細胞，聯合的運作而形成一個精密的系統。透過他們有關細胞中水與離子通道的開創性發現，今年的化學諾貝爾獎得主， Peter Agre 與 Roderick MacKinnon，在增進瞭解細胞如何運作的基礎化學知識方面，有重要的貢獻。他們讓大家看到一個精采的分子機器家族：通道、閘門與活栓，這些元件是細胞功能所必須的。

通過細胞膜的分子通道

為了維持細胞內外壓力的平衡，讓水能通過細胞膜是非常重要的，這是早為大家所熟知的。然而這種通道的形狀與功能，卻成為生物化學中一個典型的久未解開的問題，一直等到約 1990 年 Peter Agre 發現了第一個水的通道，就如同細胞中許多其它功能所需一般，都是由於一個蛋白質。

水分子並非唯一能進出細胞的分子，為了讓成千上萬的細胞成功的運作而非聚集在一起的肉塊而已，協調是很重要的，因此細胞之間必須溝通，而細胞之間的訊號傳遞則是靠著離子或是一些小分子，由此導致一系列的化學反應，造成我們的肌肉緊繃，眼睛濕潤 ─ 實際上包括了整個身體的運作。在我們腦部的訊號亦與這些化學反應有關。當我們弄斷了一個腳趾時，一個訊號就會上傳至腦部，透過一連串的神經細胞以及化學訊號及離子的流動，訊息就好像接力賽的棒子般在細胞間傳遞。

在 1998 年 Roderick MacKinnon 第一次成功的展示了離子通道在原子的層次到底長的是什麼樣子 ─ 這個成就加上 Agre 的水通道之發現，打開了生化與生物學中一個嶄新的研究領域。

Agre 與 MacKinnon 的發現在醫學上的貢獻也是很重要的，有一些疾病的成因就是因為水與離子的通道不能流暢的運作有關。隨著逐漸的瞭解這些通道的長相以及它們如何運作，我們就有機會發展更新更有效率的藥物。

水通道

搜尋水通道

早在 19 世紀中葉，人們就知道細胞一定有一個管道讓水與鹽類流通。在 1950 年代中期，發現有一個只能讓水分子迅速進出細胞的通道存在，在這之後的三十年間，透過詳細的研究，結論是一定有某種選擇性的過濾裝置能阻斷離子通過細胞膜，但卻能讓中性的水分子自由通過，而且每秒鐘有成千上萬的水分子通過一個單一的通道！

雖然知道這些，但一直等到 1992 年都尚無人能指出這個分子機器到底長相如何；換言之，就是能找到一個或多個蛋白質所構成的真正通道。在 1980 年代中期，Peter Agre 研究紅血球細胞上的各種細胞膜蛋白質（插在細胞膜上），他也在腎臟中發現一個同類型的蛋白質，在解開了這個蛋白質的序列以及相對應的 DNA 序列之後，他體認到這一定就是在他之前的眾多學者所搜尋的那個蛋白質：細胞的水通道。

Agre 利用一個簡單的實驗（圖 1）來測試他的假設，在此實驗中，他比較含有此膜蛋白與不含此膜蛋白的細胞，當這些細胞放入水中時，那些含有此膜蛋白的細胞因為滲透壓之故會吸收水分而漲大，而那些沒有此膜蛋白者則聞風不動。Agre 又利用一種稱為 liposome 的人造細胞來測試，那是一種內外都是水的一種肥皂泡泡，他發現當此肥皂泡的膜上植有此膜蛋白時，水就可以自由進出。

由於 Agre 知道汞離子會阻礙細胞吸收及釋放水，因此他也證明了這個他所發現能控制水進出細胞的蛋白質，也會因為汞離子的存在而無法讓水通過。這使得他更確定這個蛋白質就是真正的水通道，他命其名為 aquaporin，即＂水洞＂之意。

一個結構與功能的問題：水通道如何運作？

在 2000 年，透過與其他研究團隊的合作，Agre 發表了一個 aquaporin 的高解析度 3D 圖像，藉這這些數據，就能按圖索驥，仔細的描繪出一個水通道是如何運作的（圖 2）。為何它只讓水通過而不讓其它的分子或離子放行？例如細胞膜是不允許質子（H+）滲漏的，這點非常重要，因為細胞就是靠著內外質子濃度的差異來維持細胞能量儲存的系統。

選擇性是這個通道的主要性質，水分子必須順著由構成通道壁的原子所形成的電場方向，鑽過一個狹窄的通道，質子（或應稱之為 oxonium 離子，H₃O⁺）將會在中途因為其所帶的正電荷而被驅逐。

水通道在醫學上的重要性

在過去十年裡，水通道已發展成為一個不斷被討論的研究領域。大家發現 aquaporin 是屬於一個蛋白質大家族的成員，它們存在於細菌與動植物中；僅在人體就發現至少有七種不同的變體。

這些蛋白質在細菌與動植物中的功能正被勘測中，特別集中在企圖瞭解它們在生理上扮演的角色。在人體的各組織中，水通道在腎臟扮演了重要的角色。

腎臟是一個人體用來排除廢棄物的精巧裝置，在它做為篩子用的線圈中（稱為絲球體），水、離子與其它的小分子與血液分離成為所謂的初尿，在 24 小時中，約生成 170公升的初尿，其中大部分透過一系列靈巧的機制被重新吸收，最終每日產生約 1 公升的尿排出體外。

初尿通過絲球體後繼續通過一個彎管，在其中約 70% 的水通過 aquaporin AQP1 而被重新吸收回血液中，在此管的末端，另外 10% 的水通過另一個類似的 aquaporin AQP2 而被吸收。除此之外，鈉、鉀與氯離子亦被吸收回血液中。抑制尿分泌荷爾蒙（vasopressin）的功能，是促進 AQP2 傳送到腎管壁的細胞膜，因此增加了初尿中水的回收，如果一個人缺乏這種荷爾蒙，將會得到一種稱為 diabetes insipidus 的疾病，每天產生10-15 公升的尿。

離子通道

鹽類產生的細胞訊號

第一個物理化學家奧斯華（Wilhelm Ostwald , 1909 年諾貝爾化學獎）在 1890 年就認為在活體組織中所量到的電流訊號，應該是來自於離子透過細胞的進出，這個電化學的想法很快的廣為接受。到了 1920 年代，又興起了一種看法，認為有某種狹窄的離子通道存在，有兩位英國的學者 Alan Hodgkin 與 Andrew Huxley 在 1950 年代初期得到了一項重大的突破，因此得到了 1963 年的諾貝爾醫學獎，他們的研究顯示，透過神經細胞膜的離子傳輸，所產生的訊號可透過一個個神經細胞，以接力賽的方式傳遞，這些反應裡面最主要的角色就是鈉離子（Na⁺）與鉀離子（K⁺）。

這也就是說，早在 50 年前就已經充分瞭解了離子通道的主要功能，這些通道必須選擇性的只讓一種離子通過，同樣的這些通道也必須有能力打開、關閉或只讓離子往一個方向流動。然而這個分子機器到底真正是如何運作的，卻長久以來一直是個謎團。

選擇性的離子通道

在 1970 年代的研究就已顯示，離子通道只能讓某些離子通過，是因為它裝有某種＂離子過濾器＂。特別有趣的是，雖然鈉離子比鉀離子要小，卻發現有一種通道只能讓鉀離子通過，卻不會讓鈉離子通過。猜測這可能是由於蛋白質中的氧原子們扮演了一個重要的＂取代角色＂，取代了原先溶於水中的鉀離子周圍所包的水分子層，當鉀離子要進入通道中，必須先脫離這個水層的包圍。

但是進一部要證實這個猜測卻很困難，因為真正需要做的是需取得只有 X-射線晶體繞射才能得到的清楚圖像，問題是運用這種方式去解膜蛋白的結構是非常困難的，當然要去解鉀離子通道的結構也不會例外。動植物的膜蛋白比細菌中者要更複雜而更難研究，但是藉著與人類離子通道非常類似的細菌通道蛋白質之研究，或許能提供進一步的瞭解。

許多研究人員在這個方面的努力均無功而返，可是卻在另一個方向的研究中意外的得到了突破。 Roderick MacKinnon 在修完生化的學位後，轉入了醫學的領域，成為一個合格的醫師。在成為醫師之後若干年，他開始對離子通道產生極高的興趣，並開始了這方面的研究。他自承＂我的研究生涯從 30 歲才開始＂，不過他的研究卻快速的起飛。由於體認到要瞭解離子通道如何運作，必須要有更好而且更高解析度的結構圖像，他決定從最基本的 X-射線結晶學開始學起，在短短的數年之後，他提出了一個清楚的離子通道圖像而震撼了整個學界，這個重要的事件正是發生在 1998 年的一個四月天。

第一個被圖解的離子通道

在 1998 年 MacKinnon 所決定的第一個高解析度的離子通道結構稱為 KcsA，乃是由一個稱為 Streptomyces liridans 的菌株得到的。 MacKinnon 第一次展示了在原子的層次，一個離子通道是如何運作的，那個只允許鉀離子通過而拒絕鈉離子的離子過濾器，現在可以仔細的去研究，他不僅能弄清楚離子如何通過這個通道，其實在其晶體結構中甚至於可看到正在通道前被水包圍著的離子，在過濾器之中的離子，以及離開過濾器的離子，水是如何的來迎接它們（圖 3）。 MacKinnon 也能解釋為何是鉀離子而非鈉離子被允許通過此過濾器，說穿了，這主要是由於鉀離子在過濾器中，周圍所圍繞的氧原子之位置，與在外面被水分子包圍著時，水分子的氧原子之位置是相同的，但是對較小的鈉離子而言，它在過濾器中與氧原子的相對位置，就無法與在水中時一樣（圖 4），因此就較喜歡留在水中（因為有較佳的水合能）。這種能讓鉀離子脫離水層，通過通道而且不損失能量的做法，屬於一種所謂選擇性催化的離子傳輸。

細胞也需要能控制通道的開啟與關閉， MacKinnon 也說明了這是藉著一個通道下方的閘門，這個閘門可開啟或關閉一個分子＂感知器＂，這個感知器就在門的附近。不同的感知器會回應於不同的訊號，例如，鈣離子濃度的增加，或一個細胞膜兩邊的電壓差異，或與某種訊息分子的螫合，藉著不同的感知器與離子通道的連接，大自然創造了能回應於眾多不同訊號的各種通道。

瞭解疾病

膜上的通道是所有生命體的基本要件，由於此，增加對它們的認識就成為瞭解許多疾病狀態的重要基礎。各種不同的脫水現象，以及對熱的敏感度，就與 aquaporin 的效率有關；例如最近幾年歐洲的熱浪，導致了許多的死亡，這些死亡，有部分是歸諸於無法保持體液的平衡，在這些過程中 aquaporin 是非常重要的。

離子通道的功能一但受到干擾，就會導致神經系統方面的疾病，以及肌肉，例如心肌，方面的問題，這使得離子通道成為一個製藥界開發新藥的重要目標。

參考資料

這份文章是譯自諾貝爾獎委員會公佈給大眾的閱讀資料：

http://www.nobel.se/chemistry/laureates/2003/public.html

有意進一步的瞭解就得詳讀以下資訊：

http://www.nobel.se/chemistry/laureates/2003/public.html