0

1
0

文字

分享

0
1
0

【Gene思書齋】運用量子生物學解開生命之謎

Gene Ng_96
・2018/03/16 ・3573字 ・閱讀時間約 7 分鐘 ・SR值 568 ・九年級

老實說,當我一看到「量子生物學」這名詞時,我還以為又是詐騙 XD

怎麼說呢?量子力學,本來就是個乍看之下很玄的學科,因為有大多觀念和事實是完全違反日常直覺而匪夷所思的,而真的有接觸過量子力學的人又不多,這就給了許多偽科學的倡導者一個好機會,胡亂把量子力學的專有名詞套在一堆超能力、氣場、靈魂、心靈感應等的解釋上,甚至還自創各種似是而非的名詞,所有的亂入又完全沒有任何科學根據,叫嚴謹的科學工作者感到非常反感。

可是一讀了這本認真討論量子生物學的好書《解開生命之謎:運用量子生物學,揭開生命起源與真相的前衛科學》Life on the Edge: The Coming of Age of Quantum Biology),卻真是令人腦洞大開!《解開生命之謎》作者吉姆.艾爾—卡利里( Jim Al-Khalili )和約翰喬伊.麥克法登( Johnjoe McFadden ),一位是貨真價實的量子物理學家,一位是位分子遺傳學家。艾爾 — 卡利里同時也是位著名的科普作家,著有暢銷科普好書《悖論:破解科學史上最複雜的九大謎團》Paradox: The Nine Greatest Enigmas in Science)。

《解開生命之謎》這本好書由學術和科普都有卓越貢獻的兩位科學家來探討,是不可多得的優異作品,不僅生動有趣,連學界人士相信都能從中有不少收獲;因為這是本為生物學家推介量子力學的概念的科普好書,《解開生命之謎》 當然也能當作所有對量子力學感興趣的朋友的最佳參考書,無論對生物學感不感興趣。

神秘又基礎的量子力學

量子力學,是現代物理學和化學的基礎,也是電子、電機、材料、化工等工程學科的基礎,所以這本好書不僅生命科學家讀起來會腦洞大開,相信物理學家、化學家和工師學家等等來讀,也能激發出許多跨領域研究的好靈感!

雖然我不是物理學家,可是大學上普通物理和物理化學時,一定需要學習量子力學的一些基礎,尤其是原子結構等等。對我們這些非物理學家,修習量子力學的部分,常常是需要頗多腦力的,因為量子的世界實在太過詭異。

例如光為何是波又能是粒子?為何粒子能夠同時出現在不同地方?粒子為何能夠穿透障礙?為何基本粒子能夠隔空傳遞能量?總之,量子力學有許多玄妙之處。儘管看似玄妙,這些理論背後,都有堅實的數學基礎,以及紮實的實驗結果,並不是科學家純粹的天馬行空!在數學、實驗及想象力之間達成完美的平衡,讓科學成為最令人著迷和引人入勝的偉大心智活動!

儘管過去有許多物理學家參與推動分子生物學的革命,量子力學似乎就和生物學較不相關。既然這本《解開生命之謎》 探討的是量子生物學,那麼生命系統卻和量子力學有何相關呢?偶爾我們會學到一些量子力學在生醫研究或檢驗上的應用,例如正電子發射計算機斷層掃描(Positron emission tomography,簡稱 PET),或者螢光共振能量轉移(Förster resonance energy transfer, fluorescence resonance energy transfer(FRET))在 DNA 定序新技術上的應用等等。

量子力學是研究微觀世界的粒子,我們很清楚,在我們熟知的世界裡頭,熱力學和古典力學就足以解釋我們生活中遇到的幾乎所有現象了!如果基本粒子是物理的基礎,那為我們不能像基本粒子那樣穿牆或同時出現在不同地方?原因是因為在我們認知的世界尺度中,有量子的相干性,把量子的效應抵消,熱力學的作用遠大過量子力學的效應。

量子力學如何應用於生物學?

不僅是生物學家難以想像量子力學在生物系統上的應用,恐怕許多對生命科感到非常有興趣的物理學家或化學家,大多不知量子力學能夠用來理解生物系統的現象吧?可是《解開生命之謎》這本由一流的物理學家和分子遺傳學家所寫的好書,就提出許多實例,指出量子力學確實能用來理解一些有趣的生物現象,而且比許多其他理論的預測更精準。這整本書談到的,絕對是最嚴謹的科學,比一堆實際壓根兒不懂量子力學的神棍,卻亂用量子力學來招搖撞騙來強行解釋氣場、靈魂、心靈感應等等怪力亂神的東西,還有趣多了!

有些生物能夠感應地球磁場,是廣為大家所知的,我碩士班時就是研究蜜蜂磁場感應的,和物理系的同學一起合作,用磁力顯微鏡和電子順磁共振的方法,分析蜜蜂腹部細胞內的磁鐵奈米顆粒的物理性質。《解開生命之謎》也解釋了有些動物如何感應地球的磁場,使用的居然是量子力學的性質。

《解開生命之謎》也解釋了有些動物如何感應地球的磁場,使用的居然是量子力學的性質!(想不到吧~)圖/By earl258 @ flickr, CC BY-NC 2.0

像是酵素活性、嗅覺、光合作用是生物化學和分子生物學教科書都會詳述的,真沒想到原來它們也都和量子力學有關。例如嗅覺,有些化學結構相似分子,聞起來卻不太相同,可是相反的有些化學結構看似差異不小的分子,聞起來卻很相似,古典理論對這的解釋仍有不足,於是有科學家提出用量子振動理論來解釋,振動頻率接近的分子,聞起來相似,這補足了古典理論無法解釋之處;酵素的活性,卻能夠用量子穿隧效應來解釋,為何酵素能夠降低反應所需的能量;在光合作用中,被光子激發的電子,需要快速地在幾個分子中流到抵達反應中心,這很難用隨機漫步解釋光合作用的高效率,可是用量子力學提出的激子同時經由不同路徑到達反應中心,卻能夠更好地解釋光合作用的高效率。

這些對生命現象更好的解釋,正是物理學和生物學跨領域結合的最佳範例!在將近廿年前,我選擇到清華大學唸生命科學系,也就是我剛就職任教的科系,目標很明確,就是要學習現代生物學。而現代生物學的方法和觀念,並非完全由生物學家建立的,而是由物理學家、化學家、數學家等等其他自然科學家所一同奠定的。清華生科有一半的教授,大學部是非生命科學相關科系出身的,而是主修物理、化學或化工等科系的,這也是清華生科相較其他大學的生物系或生命科學系最特別的一點,跨領域地研究生命科學,更是令我們驕傲的一點。我們大一時,普通物理的上下學期各有四學分,比工學院一些科系上下學期各三學分還多,同時我們也需要修習有機化學和物理化學。

物理化學跨領域合作,破解生命奧秘

雖然如果不讀《解開生命之謎》,還真不知量子力學在生物學上是有應用價值的,可是量子力學之父薛丁格(Erwin Schrodinger,1887-1961)的經典著作《生命是什麼?》(What is Life?),這本演講稿集,旨在引介與探討生命物質的物理基礎,激發了許多物理學家和生物學家。催生了 DNA 結構的發生,並導致分子生物學的誕生,這是一段佳話。

在鈔票上的這位就是薛丁格。By Österreichische Nationalbank (Self-scanned) [Public domain], via Wikimedia Commons

物理學家和化學家一同加入破解生命的奧秘而創立分子生物學的歷史,在非常知名的分子生物學歷史學者賈德森(Horace Freeland Judson,1931-2011)的巨著《創世第八天》(The Eighth Day of Creation: Makers of the Revolution in Biology) 中,有很詳盡的描述。這部巨著有繁體中文版的三部曲:《創世第八天:二十世紀分子生物學革命首部曲 DNA》《創世第八天:二十世紀分子生物學革命二部曲 RNA》《創世第八天:二十世紀分子生物學革命三部曲 蛋白質》

如果《創世第八天》探討的是分子生物學的過去,《解開生命之謎》談的就是分子生物學的未來。由這些探討科學史和科學的未來的好書,我們能夠很清楚的得知,跨領域的學習和合作是能夠產生一加一大於二的效果的!未來理工科系的大學生跨科系選修課程,以及研究生和科學家跨科系尋求合作,將會是很有效益的工作。

《解開生命之謎》提到的,相信一定是冰山一角而已,未來分子生物學和量子力學的雙劍合璧的量子生物學相信會產生更多有趣且紮實的研究,甚至量子生物學也會成為許多大學會開設的課程,在這天的到來前,我們先來用《解開生命之謎》來嘗個鮮吧!

本文原刊登於 The Sky of Gene


數感宇宙探索課程,現正募資中!

文章難易度
Gene Ng_96
295 篇文章 ・ 20 位粉絲
來自馬來西亞,畢業於台灣國立清華大學生命科學系學士暨碩士班,以及美國加州大學戴維斯分校(University of California at Davis)遺傳學博士班,從事果蠅演化遺傳學研究。曾於台灣中央研究院生物多樣性研究中心擔任博士後研究員,現任教於國立清華大學分子與細胞生物學研究所,從事鳥類的演化遺傳學、基因體學及演化發育生物學研究。過去曾長期擔任中文科學新聞網站「科景」(Sciscape.org)總編輯,現任台大科教中心CASE特約寫手Readmoo部落格【GENE思書軒】關鍵評論網專欄作家;個人部落格:The Sky of Gene;臉書粉絲頁:GENE思書齋


0

1
0

文字

分享

0
1
0

霍亂也有自己的免疫系統?想要入侵人體,卻不想被感染!

寒波_96
・2022/05/19 ・3396字 ・閱讀時間約 7 分鐘

由霍亂弧菌(Vibrio cholerae)引發的霍亂,是常見的人類傳染病。有意思的是,霍亂弧菌這般能入侵生物體的細菌,本身也會被病毒等異形入侵,有免疫的需求。

引起霍亂的霍亂弧菌。圖 / Wikimedia

在最近發表的論文中,霍亂向我們展現了以前未知的免疫手法,不但能抵抗病毒,還能對付「質體」。霍亂究竟如何避免成為宿主的命運?質體又是什麼呢?[參考資料 1, 2]

細菌 vs 質體 vs 病毒大亂鬥:細菌也不想被寄生

細菌和人類一樣,都是用染色體上的 DNA 承載遺傳訊息。不過除了染色體以外,細菌也常常配備額外的「質體(plasmid)」,它們是 DNA 圍成的圈圈,獨立於細菌的染色體之外,具有自己的遺傳訊息,會自己複製。

細菌的遺傳物質,除了自己的染色體外,時常還額外攜帶數量不一的質體。圖/Bacterial DNA – the role of plasmids 

質體如果單方面依賴細菌供養、當個快樂的寄生蟲,那麼對細菌來說,質體就是個占空間的東西,只會耗費宿主的資源,對細菌是最差的狀況。但是,質體上也有基因,如果那些基因具備抗藥性等作用,那質體便對細菌有利。換句話說,質體和細菌的關係並不一定,有可能是有利、有害,或是沒有利也沒有害,視狀況而定。

細菌有時候具備攻擊質體的能力,例如近來作為基因改造工具而聲名大噪的 CRISPR,原本便是細菌用來抵禦病毒、質體的免疫系統。神奇的是,許多攻擊目標為質體的 CRISPR 套組,本身就位於質體上頭,令人懷疑其動機不單純。

比方說,A 質體攜帶一套攻擊 B 質體的 CRISPR,那麼 A 質體的目的,到底是保護自己寄宿的細菌不被 B 質體入侵,或是維護自己的地位不要被 B 質體搶走呢?不好說,不好說。

細菌對付質體的手段除了 CRISPR,還有一招是利用「Argonaute」蛋白質,啟動針對質體的排外機制;有時候兩者兼備,就是不給質體活路。[參考資料 3]

了解上述資訊,便能體會霍亂新研究的奧妙:質體無法生存的霍亂弧菌,既沒有 CRISPR,亦沒有 Argonaute,卻有以前不知道的另外兩招。

沒有質體的霍亂弧菌

儘管大家的印象中,霍亂就是一款危害人類的傳染病,不過野生的霍亂弧菌有很多品系,除了 O1 和 O139 兩個亞型之外,大部分其實不怎麼會感染人類。歷史上霍亂有過七次大流行,目前第七次大流行的型號為 O1 旗下的 E1 Tor,也稱作 7PET。

過往導致大流行的型號以及野生霍亂品系,細菌中一般都帶著質體,可是如今廣傳的 E1 Tor 卻常常沒有。假如人為將質體送進細菌體內,一開始倒是沒什麼阻礙,可是複製繁殖十代以後的細菌,卻幾乎不再擁有質體。

因此我們可以假設,霍亂第七次大流行的主角,可能比同類們多出些什麼,讓它新增了排除質體的能力。既然不是其餘細菌使用的 CRISPR 與 Argonaute,應該是某種目前未知的手段。

研究者一番搜尋後,從霍亂基因組上找到 2 處有關係的區域,稱它們為 DdmABC 和 DdmDE(Ddm 為 DNA-defence module 縮寫),兩者各自都有排擠新質體的能力,一起合作效果更好。

霍亂弧菌有 2 個染色體(左、右),DdmABC 位於第一號染色體(左)的 VSP-II 區域(圖中寫成 VSP-2),DdmDE 位於 VPI-2 區域。圖/Molecular insights into the genome dynamics and interactions between core and acquired genomes of Vibrio cholerae

兩套手法獨立運作,就是不要讓質體留下!

DdmABC 與 DdmDE 都能替霍亂細胞排除質體,但是運作方式不同。

DdmDE 會直接攻擊,令質體無法繼續在細菌體內生存,尤其容易攻擊比較小的質體;這個攻擊過程中,應該有其他蛋白質參與,不過詳細機制仍有待探索。

負責打擊質體的 DdmDE,其基因周圍還有兩套免疫系統的基因:R/M 與 Zorya,它們的任務都是消滅入侵的噬菌體(感染細菌的病毒)。因此霍亂的染色體上,這些基因共同構成一組對抗外來異形的陣地,稱為防禦島(defence island)。

DdmABC 則似乎更傾向「促進選汰」的手法,霍亂如果攜帶質體,不論質體自身大小,DdmABC 都會產生毒性;這使得質體數目較少的細菌,繁殖時產生競爭優勢,多代以後脫穎而出的霍亂,將剩下不再攜帶質體的個體。

有意思的是,霍亂細胞的 DdmABC 能排擠質體,也能屠殺入侵的噬菌體。所以它是一套雙重功能的免疫系統,同時防禦噬菌體和質體這兩種異形。

霍亂弧菌中 DdmABC 與 DdmDE 為兩套獨立運作的免疫系統,DdmABC 能排除入侵的病毒和質體,DdmDE 會直接攻擊質體。圖/參考資料 2

演化上 DdmABC 與 DdmDE 從何而來呢?在資料庫中比對 DNA 序列,ABCDE 這 5 個基因都找不到非常相似的近親基因,所以本題暫時不得而知。

其餘霍亂同類都沒有這兩串基因,所以它們是 E1 Tor 品系新獲得的玩意;幾個新基因組合形成新功能,或許有助於 E1 Tor 當年在霍亂內戰中勝出,成為第七次大流行的主角。總之,它們都通過長期天擇競爭的考驗,贏得一席之地。

質體對細菌可能有害也可能有利,若是通通不要,等於是徹底斷絕獲利的機會。如今廣傳的這款霍亂,為什麼演化成這般樣貌,值得持續探索。

一隻細菌配備對付不同入侵者的多款免疫系統,一如一艘巡洋艦配備的多款防禦系統,不論敵人從陸地、海面、空中發射飛彈,或是從海底用魚雷攻擊,都有防守的應變手段。然而,再怎麼周詳的防禦設計,都有被突破的機會。圖/wiki

戒備森嚴,多重防禦的細菌免疫

由這些研究我們可以觀察到,細菌儘管是只有一顆細胞的簡單生物,也配備多重免疫系統,抵抗各種入侵者。以極為成功的霍亂 E1 Tor 品系來說,它配備 R/M、Zorya、DdmDE 三款防禦病毒的機制,以及 DdmABC、DdmDE 兩套排擠質體的手法,能夠全方位對抗試圖入侵的病毒和質體。

霍亂弧菌之外的許多細菌,又配備記錄入侵者遺傳訊息的 CRISPR 系統,精準識別目標並且攻擊,類似人類的後天免疫。CRISPR 此一特質,使它變成智人的基因改造工具。

而類似先天免疫,無差別切割入侵者的 R/M 系統,其各種限制酶(restriction enzyme),早已從 1970 年代起成為常見的基因改造工具,可謂分子生物學實驗的元老。

新發現霍亂的 DdmABC、DdmDE 免疫系統,除了增加學術知識,也有應用潛力。探索細菌、質體、病毒間的大亂鬥,不只能認識更多免疫與演化,也可能找到對付細菌的新招,還有機會啟發分子生物學的新工具。

延伸閱讀

參考資料

  1. Jaskólska, M., Adams, D. W., & Blokesch, M. (2022). Two defence systems eliminate plasmids from seventh pandemic Vibrio cholerae. Nature, 1-7.
  2. Cholera-causing bacteria have defences that degrade plasmid invaders
  3. Kuzmenko, A., Oguienko, A., Esyunina, D., Yudin, D., Petrova, M., Kudinova, A., … & Kulbachinskiy, A. (2020). DNA targeting and interference by a bacterial Argonaute nuclease. Nature, 587(7835), 632-637.

本文亦刊載於作者部落格《盲眼的尼安德塔石匠》暨其 facebook 同名專頁


數感宇宙探索課程,現正募資中!

寒波_96
9 篇文章 ・ 7 位粉絲
生命科學碩士、文學與電影愛好者、戳樂黨員,主要興趣為演化,希望把好東西介紹給大家。部落格《盲眼的尼安德塔石器匠》、同名粉絲團《盲眼的尼安德塔石器匠》。