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加國大學利用超級電腦成功分裂電子

國科會 國際合作簡訊網
・2012/02/23 ・1038字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 527 ・七年級

包括加拿大滑鐵盧大學(University of Waterloo)教授在內的三名國際理論物理學家團隊發現電子有不尋常的反應,可能對所有的物理學有影響。這項研究近日發表於世界著名的由同儕評審的科學研究期刊:《科學 (Science)》。

這項研究邁出重大的一步,使物理學家們有難得的機會研究看似不可能的分數粒子(fractional particles)。研究團隊包括在滑鐵盧大學的物理及天文學系教授Roger G. Melko、在美國北卡羅來納州(N.C.)德罕(Durham)的杜克大學(Duke University),在加州大學(University of California)微軟研究院(Microsoft Research)的物理系教授Matthew Hastings,以及在瑞士(Switzerland)蘇黎世(Zurich)理論物理研究所 (Institut fur Theoretische Physik)的主要作者博士後研究員Sergei Isakov。他們利用在加拿大安大略省的超級電腦聯盟SHARCNET所提供的電腦性能及規模來進行模擬研究,發現冷卻到接近絕對零度的分數粒子透露的重大訊息。

研究人員成功地創造了一個模擬的量子材料晶體,它的屬性剛好能調整到接近絕對零度的不尋常量子狀態。當具有基本電荷的粒子被放置在這種狀態中,研究團隊觀察到它自身分裂成兩個獨立的物體,每一個具有半個電子的電荷。研究人員能夠測量到分裂粒子移動時的幾個相關數值。這些數值是通用的,因此物理學家們可以應用於物理學的其他領域。

Melko表示,「我們證明的不僅是可以在電腦中建立一個分裂粒子,還有它們在相變(phase transition)時具有普遍性的影響。也就是說某些屬性超越了系統的特性,例如我們的模擬材料。這些屬性也存在於具有同樣類型分數粒子的其他領域如物理、化學、生物。因此我們的研究能引導未來各個不同領域的研究來探討這些奇怪的半電子。」

沒有研究高能量系統,研究團隊反而利用低溫物質能聚在一起的特性呈現有如準粒子(quasiparticle)的集體行為(collective behaviour)。從遠處觀察這些合作粒子的移動情形,與一般的自由粒子在本質上是無法區別的。而如這項研究所示,在適當的條件下,這些準粒子可以帶有分數電荷。

Melko表示,「我們還不清楚這項研究的潛在影響。分數化在量子霍爾效應(fractionalization in the quantum Hall effect)的發現徹底改變了我們所認為的物質。它獲得了諾貝爾獎(Nobel Prize),而我們仍以這項成果為基礎在做研究。對這些分數粒子的了解可能會影響我們所認知的超導電性,幫助我們開發更好的電子產品,甚至在未來量子電腦的設計中有所發揮。」

研究團隊去年秋天才發表一篇論文在《自然物理學 (Nature Physics)》。這次的研究題為「分數量子臨界點的通用特徵(Universal Signatures of Fractionalized Quantum Critical Points)」。這篇最初發現在低溫物質態下分數粒子存在的證據的論文是幾個月的合作研究及電腦模擬的成果。

資料來源:Waterloo supercomputer succeeds in splitting the electron[2012-01-13]

轉載自國科會國際合作簡訊網

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揭開人體的基因密碼!——「基因定序」是實現精準醫療的關鍵工具

科技魅癮_96
・2021/11/16 ・1998字 ・閱讀時間約 4 分鐘

為什麼有些人吃不胖,有些人沒抽菸卻得肺癌,有些人只是吃個感冒藥就全身皮膚紅腫發癢?這一切都跟我們的基因有關!無論是想探究生命的起源、物種間的差異,乃至於罹患疾病、用藥的風險,都必須從了解基因密碼著手,而揭開基因密碼的關鍵工具就是「基因定序」技術。

揭開基因密碼的關鍵工具就是「基因定序」技術。圖/科技魅癮提供

基因定序對人類生命健康的意義

在歷史上,DNA 解碼從 1953 年的華生(James Watson)與克里克(Francis Crick)兩位科學家確立 DNA 的雙螺旋結構,闡述 DNA 是以 4 個鹼基(A、T、C、G)的配對方式來傳遞遺傳訊息,並逐步發展出許多新的研究工具;1990 年,美國政府推動人類基因體計畫,接著英國、日本、法國、德國、中國、印度等陸續加入,到了 2003 年,人體基因體密碼全數解碼完成,不僅是人類探索生命的重大里程碑,也成為推動醫學、生命科學領域大躍進的關鍵。原本這項計畫預計在 2005 年才能完成,卻因為基因定序技術的突飛猛進,使得科學家得以提前完成這項壯舉。

提到基因定序技術的發展,早期科學家只能測量 DNA 跟 RNA 的結構單位,但無法排序;直到 1977 年,科學家桑格(Frederick Sanger)發明了第一代的基因定序技術,以生物化學的方式,讓 DNA 形成不同長度的片段,以判讀測量物的基因序列,成為日後定序技術的基礎。為了因應更快速、資料量更大的基因定序需求,出現了次世代定序技術(NGS),將 DNA 打成碎片,並擴增碎片到可偵測的濃度,再透過電腦大量讀取資料並拼裝序列。不僅更快速,且成本更低,讓科學家得以在短時間內讀取數百萬個鹼基對,解碼許多物種的基因序列、追蹤病毒的變化行蹤,也能用於疾病的檢測、預防及個人化醫療等等。

在疾病檢測方面,儘管目前 NGS 並不能找出全部遺傳性疾病的原因,但對於改善個體健康仍有積極的意義,例如:若透過基因檢測,得知將來罹患糖尿病機率比別人高,就可以透過健康諮詢,改變飲食習慣、生活型態等,降低發病機率。又如癌症基因檢測,可分為遺傳性的癌症檢測及癌症組織檢測:前者可偵測是否有單一基因的變異,導致罹癌風險增加;後者則針對是否有藥物易感性的基因變異,做為臨床用藥的參考,也是目前精準醫療的重要應用項目之一。再者,基因檢測後續的生物資訊分析,包含基因序列的註解、變異位點的篩選及人工智慧評估變異點與疾病之間的關聯性等,對臨床醫療工作都有極大的助益。

基因定序有助於精準醫療的實現。圖/科技魅癮提供

建立屬於臺灣華人的基因庫

每個人的基因背景都不同,而不同族群之間更存在著基因差異,使得歐美國家基因庫的資料,幾乎不能直接應用於亞洲人身上,這也是我國自 2012 年發起「臺灣人體生物資料庫」(Taiwan biobank),希望建立臺灣人乃至亞洲人的基因資料庫的主因。而 2018 年起,中央研究院與全臺各大醫院共同發起的「臺灣精準醫療計畫」(TPMI),希望建立臺灣華人專屬的基因數據庫,促進臺灣民眾常見疾病的研究,並開發專屬華人的基因型鑑定晶片,促進我國精準醫療及生醫產業的發展。

目前招募了 20 萬名臺灣人,這些民眾在入組時沒有被診斷為癌症患者,超過 99% 是來自中國不同省分的漢族移民人口,其中少數是臺灣原住民。這是東亞血統個體最大且可公開獲得的遺傳數據庫,其中,漢族的全部遺傳變異中,有 21.2% 的人攜帶遺傳疾病的隱性基因;3.1% 的人有癌症易感基因,比一般人罹癌風險更高;87.3% 的人有藥物過敏的基因標誌。這些訊息對臨床診斷與治療都相當具實用性,例如:若患者具有某些藥物不良反應的特殊基因型,醫生在開藥時就能使用替代藥物,避免病人服藥後產生嚴重的不良反應。

基因時代大挑戰:個資保護與遺傳諮詢

雖然高科技與大數據分析的應用在生醫領域相當熱門,但有醫師對於研究結果能否運用在臨床上,存在著道德倫理的考量,例如:研究用途的資料是否能放在病歷中?個人資料是否受到法規保護?而且技術上各醫院之間的資料如何串流?這些都需要資通訊科技(ICT)產業的協助,而醫師本身相關知識的訓練也需與時俱進。對醫院端而言,建議患者做基因檢測是因為出現症狀,希望找到原因,但是如何解釋以及病歷上如何註解,則是另一項重要議題。

從人性觀點來看,在技術更迭演進的同時,對於受測者及其家人的心理支持及社會資源是否相應產生?回到了解病因的初衷,在知道自己體內可能有遺傳疾病的基因變異時,家庭成員之間的情感衝擊如何解決、是否有對應的治療方式等,都是值得深思的議題,也是目前遺傳諮詢門診中會詳細解說的部分。科技的初衷是為了讓人類的生活變得更好,因此,基因檢測如何搭配專業的遺傳諮詢系統,以及法規如何在科學發展與個資保護之間取得平衡,將是下一個基因時代的挑戰。

更多內容,請見「科技魅癮」:https://charmingscitech.pse.is/3q66cw

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科技魅癮_96
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