基因研究的怪才，克雷格·凡特生日｜科學史上的今天：10/14

本文與 Panasonic 合作，泛科學撰文 

●以下科學研究內容作為知識分享，不直接與Panasonic A La Uno全自動洗淨馬桶產品功能連結

在做家務的痛苦排行榜上，「刷馬桶」絕對名列前茅。明明天天都在沖水，但過不了幾天，馬桶內壁邊角總會浮現黃黃的水垢、角落發黑的霉斑，甚至是那些刷掉又長出來的粉紅色污垢（黏質沙雷氏菌）。

許多市售衛浴設備常標榜「神奇抗污」或「永久不沾」，讓人誤以為安裝後便能永保潔淨。然而從材料科學的角度來看，世上並無能使污垢憑空消失的魔法。所謂「耐污」的實質機制，並非打造完全不沾染髒污的材質，而是調整表面的物理與化學屬性，使水垢和微生物難以強力附著。一旦降低了污垢與內壁之間的附著力，透過日常水流沖刷，便能輕易地將髒污帶走。

為什麼污垢「黏不住」？ 

要搞懂為什麼某些特殊表面能做到「耐污」，我們得先像偵探一樣，拆解馬桶裡的髒污究竟是怎麼「抓緊」材料表面的。馬桶內壁的污垢主要有兩大難纏的元兇：

1. 水垢與礦物沉積*1：我們日常使用的自來水中含有鈣、鎂等金屬離子。當水滴在表面經歷反覆的濕潤與蒸發乾燥循環時，這些離子會逐漸結晶析出，變成硬度極高、緊緊「卡」在微觀縫隙裡的礦物質水垢。
2. 生物膜與有機物*2：包含尿液中的無機鹽、油脂殘留，以及細菌入侵後分泌出像超強膠水一般的聚合物，所組成的黏滑防禦大本營。

這兩大類污垢想要在材料上「落腳」，前提是它們必須能在表面找到足夠的附著點與黏合力。那麼，材料科學家是如何讓這些髒污「站不穩」的呢？答案就藏在「表面能（Surface Energy）」與「濕潤性（Wettability）」這兩個核心概念中。

當我們把水滴在某個表面上時，水滴會聚成一顆圓滾滾的水珠，還是迅速攤平開來？這取決於表面的特性：

• 疏水路線（Hydrophobic）*1：具備低表面能的疏水表面，能顯著減少水分子或污染物與表面之間的極性作用力與氫鍵。水滴在這種表面上會因為表面張力而收縮成水珠，當水珠滾動滑落時，就能順便把表面的灰塵與礦物質顆粒帶走，這就是著名的「自清潔效應」。
• 親水路線（Hydrophilic / Superhydrophilic）*2：相反地，極度親水的超親水表面則會強烈地吸引水分子，在材料最外層形成一層薄薄的「水化層（Hydration Layer）」。這層水化層就像是實體的液體盾牌，讓油污、蛋白質或細菌無法直接接觸到材料基底，只能漂浮在水膜上方。

如果要用攀岩來比喻：傳統粗糙的表面就像是有許多凹槽的攀岩牆，髒污就像攀岩者，需要找到落腳點並用力撐住才能攀附；而我們做的是抽掉把手點，或是在把手上塗上潤滑油，讓髒污找不到施力點，自然難以停留。

不給細菌「握手」的機會

解決了水垢，下一個更棘手的對手是「細菌」。

馬桶內壁那些黑黑粉粉、摸起來滑滑的污垢，在微生物學中被稱為「生物膜（Biofilm）」。細菌並不是孤立生長的，當單顆細菌落在表面後，如果覺得環境舒適，它就會開始分泌胞外聚合物（EPS），這是一種天然的超強膠水。細菌們用這種膠水把自己與同伴緊緊黏在一起，並築起堅固的防禦堡壘，這時一般的沖水就很難把它們沖洗乾淨了。

根據《Nature Communications》與《Microsystems & Nanoengineering》的學術期刊研究指出，要阻止生物膜形成，除了化學上的抗菌，材料的「表面微幾何結構」扮演了至關重要的角色。

材料科學領域中有一個著名的「附著點理論（Attachment Point Theory）」：

1. 粗糙與微孔洞表面：如果材料表面存在許多微小的裂縫、氣孔或微米級凹洞，細菌（體積通常約 1 到 3 微米）就會興高采烈地鑽進這些小凹槽裡。這些凹槽不僅提供了極佳的機械咬合支點，還能幫細菌擋掉水流的沖刷。
2. 極致平滑與微結構表面：相反地，如果材料表面做到極致平滑，完全沒有微米級的缺陷；或者反過來設計出尺寸遠小於細菌的奈米結構，細菌的足跡構造（如鞭毛或纖毛）就無法在表面找到穩固的「接觸附著點（Contact Points）」。

當細菌發現自己在這個表面上連「手都握不緊」、隨時會被水流吹走時，它就無法順利定殖並分泌膠水築巢。此外，現代衛浴結構在設計時，也越來越強調「一體成形」與「無接縫工藝」。消除接縫與死角，等於直接拔除了細菌與水垢最喜歡的避風港。

當材料、結構與流體科技組隊聯防 

了解了材料化學與微觀幾何，我們就能勾勒出一座現代耐污馬桶的完整防禦體系：【材料層（低附著力）】+【結構層（無縫平滑）】+【動態流體層（泡沫與水流剪切力）】= 高效清潔！

以市面上備受矚目的 Panasonic A La Uno 全自動洗淨馬桶為例，就是將材料科學、結構工程與流體力學發揮到極致的典型代表：

1. 材料層：有機玻璃系新素材

A La Uno 全自動洗淨馬桶採新開發的「有機玻璃系新素材」（以壓克力高分子為基礎研發的衛浴專用材料，這類高分子成形技術亦被廣泛運用於大型水族館高壓觀景窗與飛機機艙罩）。這種材料表面具備極佳的疏水性與耐水垢特性，水滴不易長時間攤平停留；材質堅固、不易破裂，耐刮、不易造成細小傷痕。通過實驗測試，這種素材配合泡沫洗淨，在沖洗後能有效沖刷掉高達 99.99% 的大腸桿菌，從源頭阻斷細菌定殖。

2. 結構層：無接縫工藝與三重防濺防護

在宏觀結構上，A La Uno 全自動洗淨馬桶採用無水箱沖水與便器、溫水洗淨便座一體成型設計，減少傳統水箱與座體之間的結構層次及接縫，並搭配可動迴轉式排水系統完成沖洗。更貼心的是其「三重防護」設計：

• 泡沫防護：在水面上製造一層充沛的泡沫緩衝層，有效抑制男性站立小便時的尿液與污水飛濺；
• 外圍防護：馬桶邊界特別設計了高約 3mm 的水檔，防止液體延著外壁滴落至地板；
• 測漏防護：便座與馬桶本體採用不外露的防護設計，避免液體從縫隙飛濺滲漏。

3. 動態流體層：雙效泡沫洗淨、漩渦水流與 nanoe™ X

當污垢降落在馬桶內壁時，A La Uno全自動洗淨馬桶 的動態流體科技便接手進行徹底打掃。其「雙效泡沫洗淨」會先釋放直徑約 5mm 的「毫米泡沫」包裹並帶走大塊髒污，再透過直徑約 60微米的「微米泡沫」深入微觀縫隙，徹底溶解殘餘的油脂與細微污垢。接著，配合高度清潔力的「漩渦型強力水流」，利用旋轉產生的流體剪切力，一口氣將附著力已被削弱的污垢剝離並沖走。此外，Panasonic A La Uno 全自動洗淨馬桶還搭襯了 nanoe™ X 健康科技，釋放氫氧離子有效抑制異味與髒污，維持空氣與內壁的良好衛生狀態。

科技讓生活變輕鬆，但物理法則依然誠實

從材料化學的低表面能設計，到微觀幾何的附著點控制，再到流體力學的水流沖刷，一座現代抗污馬桶的演進，縮影了人類如何運用基礎科學來解決日常生活痛點的智慧。

我們習慣將衛生清潔想像成一場與細菌髒污的硬碰硬死鬥。然而，A La Uno全自動洗淨馬桶 等現代衛浴技術的突破，展示了材料科學的另一種聰明思維：不靠強酸強鹼硬打，而是透過物理與化學邏輯，將「污垢固著」的機率降到最低。

當材料科學與現代衛浴技術結合，刷馬桶不再是一件令人頭痛的辛苦瑣事。透過這些前沿科技的加持，我們得以從繁重的家務勞動中解放，享受更加乾淨、舒適且有品質的日常生活。

*1 參考論文：A metallic anti-biofouling surface with a hierarchical topography containing nanostructures on curved micro-riblets

*2 參考論文：Brushing up functional materials

2000 年的今天，美國總統柯林頓與英國首相布萊爾經由衛星連線共同向世人宣布：人類基因組計畫已完成第一份草圖。由超過六個國家（台灣也沒缺席，負責第四號染色體）、一千多名研究員的共同努力之下，完成了解開人類基因組的初步草圖。

在官方的大肆宣揚下，人們以為科學家們攜手合作達成了重大里程碑。其實當時完成定序的基因只有 85%，只是白宮早就敲定了這個日期召開記者會，不想再延後──或許是為了避免夜長夢多，讓這科學研究背後的醜陋競爭早日畫上句點。

競爭來自於克雷格·凡特（J. Craig Venter）。1990 年，由美國能源部和國家衛生研究院主導的國際人類基因組計畫正式啟動，凡特正是一開始就參與此計畫的其中一員。但他卻在金主的奧援下自立門戶，於 1998 年成立的賽雷拉基因公司（Celera Genomics），大手筆的採購三百台最新的自動化定序儀，打算以兩年的時間完成國際團隊原訂十五年才能完成的計畫。

凡特是個相當具爭議性的人物，他之前就曾將基因申請專利，拿來做商業用途，如今還是宣稱賽雷拉會將成果申請專利保護，並將優先獲知權賣給藥廠或其它公司。另一方面，國際團隊卻是本著科學精神將最新發現公諸於世，賽雷拉還能從中借力使力，擴大領先幅度。

國際團隊雖然鄙夷凡特的作法，卻在輸不得的壓力下，不得不也採用凡特的研究方法。於是雙方唇槍舌劍、互相指責，直到美國政府出面協調，雙方陣營才同意彼此合作，共享榮耀。

完整的人類基因圖譜要等到 2003 年 4 月 14 日才宣告完成。至於專利權的問題，直到 2013 年 6 月 13 日，才終於由美國最高法院的判決確立：人類基因不能取得專利權。

即便如此，我們可以預期此一重大的研究成果仍將帶來各種衝擊與爭議；當時柯林頓在記者會說：「今日劃時代的成就，只是一個起點，將來還有很多更艱辛的工作，等待要完成。」是的，艱辛的工作不只是判讀、診斷、醫療等技術方面，也將涵蓋道德面與法律面。

本文同時收錄於《科學史上的今天：歷史的瞬間，改變世界的起點》，由究竟出版社出版。

在最小的生命研究上一直有兩種策略，一種是利用簡單的細胞不停地把不必要的基因剔除，直到找到最小可以支持自我複製生長的基因组，另一種策略是全部的基因組都由人工來合成，設計出可以自己複製生長的細胞，兩種策略都各有優缺點。

剔除的方式要面對的是牽一髮動全身的基因組；不同的剔除路徑可能中間有很多不能維持生命的中間基因組，而在全人工合成上，首先要面對的就是怎麼有效正確的合成大分子的DNA，接著是怎麼把合成出來的基因組放入當作容器的細胞並且激活。這演講就是介紹以合成的路徑，研究人員面對了多少技術困難，最後順利合成百萬鹽基對的染色體，然後順利放入細胞讓這些基因組真的開始工作。

裡面幾個關鍵的步驟是：大量正確合成DNA、分開的合成DNA怎麼被組裝成單一基因組、同類細胞間的基因組要怎麼替換、異類細胞間的基因組要怎麼替換、還有就是面對處理甲基化跟限制酶對外來DNA的破壞，這些工作花了參與的科學家15年的時間，不過其依賴的技術基礎是整個分子生物的技術。這樣的技術有危險性也有很多可能的應用方式，像是在生物能源或是細胞疫苗工廠上，希望這樣的技術會引導出很多能幫助人的科學進展。

本文原發表於科學影像Scimage 演講[2010-08-16]

1990年，由美國能源部和國家衛生研究院主導的國際人類基因組計畫正式啟動，預定花費三十億美元，以十五年的時間解出人類DNA的全部三十億個字母。結果2000年6月26日這一天，美國總統柯林頓與英國首相布萊爾就共同向世人宣布：人類基因組計畫的初步草圖已經完成。

這項重要的里程碑能比預定時間提早五年達成，關鍵人物就是當時站在柯林頓右後方的克雷格·凡特（J. Craig Venter, 1946年10月14日－ ），一位極具爭議性的生物學家。

凡特於1984年加入國家衛生研究院。他一直鍾情於使用更快速的「霰彈槍定序法」來破解基因組；基本上就是將基因組打斷為數百萬個小片段，再根據小片段之首尾與其它片段首尾的重疊性，找出片段原來的順序。但這個方法的精確性頗有爭議，人類基因組計畫團隊大部分成員還寧可採取按部就班的傳統方式。為之氣餒的凡特在遇到金主願意出資讓他盡情發揮後，便在1992年辭職，成立新公司。

凡特雖然在流感嗜血桿菌上證明了他的方法確實可行，卻與主其事者在專利申請與運用上意見不合，終於在1996年憤而求去。但不久後，生產自動化定序儀器的廠商即主動表達全力支持之意，於是凡特於1998年成立的賽雷拉基因公司（Celera Genomics），大手筆的採用三百台最新的自動化定序儀，打算在兩年內就全面破解人類基因組。

這個豪情干雲的宣告令國際人類基因組計畫團隊大為緊張，因為他們本著科學精神，總是將最新發現公諸於世。但如此賽雷拉便可直接取用，借力使力，卻不公布自己的成果，當然會率先達鎮。尤其此時整個計畫已花費約十九億美元，民眾若以為這個半路殺出的程咬金以兩年時間就完成他們的十五年計畫，他們如何交代！於是在美國政府出面協調下，雙方陣營才同意彼此合作，共享榮耀。

但如此一來，凡特當初打的如意算盤──將基因的優先獲知權賣給藥廠──就破滅了。賽雷拉的股價於記者會的第二天就下跌10%，到了2002年初更是一蹶不振，凡特因此黯然辭職。

不過凡特本人可未一蹶不振；他於2005年成立「合成基因組公司」（Synthetic Genomics），2010年宣布成功製造出史上第一個由人工合成基因組構成的人工生命，再度引起議論紛紛。充滿爭議性的凡特突顯了科學家的角色定位問題，其是非功過或許有待未來才能論斷了。

本文同時收錄於《科學史上的今天：歷史的瞬間，改變世界的起點》，由究竟出版社出版。