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細菌可以用人工鹼基合成蛋白質了!當合成生物學遇上中心法則

李紀潔、羅鴻
・2017/12/09 ・2743字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 564 ・九年級

生物界中最為人所熟知的機制就是鼎鼎大名的「中心法則(central dogma)」,絕大部分的生物都是以去氧核醣核酸(deoxyribonucleic acid, 簡稱 DNA)作為遺傳物質,然後透過基因轉錄(transcription)製造核醣核酸(Ribonucleic acid, 簡稱 RNA),最後轉譯(translation)出胜肽(peptide)並構成有功能的蛋白質。

中心法則。圖片來源:genius.com

DNA 由四種含氮鹼基 adenine (A)、thymine (T)、guanine (G)、 cytosine (C) 組成,其中A、T及G、C作為配對 ; 而轉譯過程中傳訊核糖核酸(messenger RNA,簡稱 mRNA)分別以 uracil (U) 、A、C、G 與DNA相對應的順序製造。最後帶著氨基酸的轉運核糖核酸(transfer RNA,簡稱 tRNA)會使用反密碼子(anticodon)來辨認 mRNA 的密碼並將氨基酸串連起來形成胜肽(peptide、polypeptide)。

source:Wikimedia

舉例而言,DNA序列5’-CGG-3’被轉錄成mRNA是3’-GCC-5’,接著帶有丙氨酸(alanine)的tRNA會使用反密碼子5’-CGG-3’和mRNA進行配對,進而將analine加到胜肽鏈中。而目前細胞以三個核醣核酸排列組合能配對出20種不同的氨基酸,這些過程就像照著九九乘法表一樣,同樣的訊息進去就會產生相同的結果。

基因經過轉錄及轉譯的過程就像九九乘法表一樣有固定答案。圖片來源: geneticshbdanieldelprete

當合成生物學遇上中心法則後的新滋味

合成生物學(synthetic biology)致力於將人的巧思放入生物各層次的調控中,以創造新的生命形態和功能。而改造做為遺傳物質的DNA是合成生物學最熱門的題材之一。其中一個驚人的想法便是將人工合成的鹼基對加入DNA序列之中,使生物的調控變得更多元化。

美國斯克里普斯研究所(The Scripps Research Institute)的教授 Floyd Romesberg 在2011年成功在試管內將人工合成的兩個新鹼基 X、Y(分別為dNaM和d5SICS,彼此可互相配對)嵌入DNA的序列內。原本四個不同鹼基ATGC的DNA排列組合變成六個ATGCXY的複雜排列。但可惜當時的研究只發生在試管(in vitro)之中,尚不能被生物體所使用。

人工合成新鹼基對(d5SICS、dNaM)結構類似生物體原有的四個鹼基(A、T、G、C)並且可以在試管內嵌入遺傳物質序列中。圖片來源:PNAS

但是要怎麼讓細胞利用人工合成的鹼基對組成遺傳序列呢?

要讓生物使用人工合成的鹼基對有幾個難題,其中第一個難關是生物本身並不會生成這些鹼基,所以這些人造鹼基並不存在於細胞當中。所以,科學家不但得要替這些細菌先合成這些鹼基,還要再想辦法讓細菌能夠把這些鹼基「吃到」細胞體內。在2014年,Romesberg 的團隊在三角褐指藻(Phaeodactylum tricornutum)中找到了一個輸送蛋白(transporter),能夠把鹼基運從細胞外送到細胞內。

所以他們將這個輸送蛋白基因以及含有X、Y鹼基對的DNA質體(plasmid)送到了他們的模式生物–大腸桿菌(Escherichia coli)當中。實驗結果顯示大腸桿菌不但可以將在細胞外的X、Y鹼基運送到細胞內,更能使用帶有X、Y鹼基對的質體當作模板複製出新的DNA質體。另外這些帶有人工合成鹼基的細菌沒有出現生長緩慢或遺傳物質剔除外來鹼基的現象。這是第一次科學家成功讓人工合成鹼基X和Y在細菌遺傳物質中複製並且傳遞到子代當中!

如何讓合成的鹼基嵌入的基因被表現及製造呢?

為了使人工鹼基的應用變得更加廣泛,Romesberg 的團隊左思右想,想要找到方法讓細菌轉錄及轉譯帶有人工鹼基的基因。而關鍵則在於中心法則裡「轉譯」這個步驟,雖然細菌能夠製造出帶有新鹼基的DNA序列或mRNA,但是沒有tRNA具有能夠辨識這些新鹼基的反密碼子,因此無法製造出胜肽鏈。

tRNA的反密碼子若與mRNA的密碼子配對成功,則氨基酸便會接上胜肽鏈,最後形成有功能的蛋白。圖片來源:the-scientist

為了證明人工鹼基真的能被轉譯成蛋白質,研究人員先合成及在細菌內表現新的一組鹼基對,代稱仍為X、Y(但分別代表dNaM及dTPT3)。接著使細菌表現一個特殊的綠色螢光蛋白GFP(sfGFP),它的特性是在位點151的地方可以放置任何的氨基酸且不會對螢光造成影響。

為了使細菌利用人工合成的新鹼基對進行轉錄及轉譯,科學家設計新的一組鹼基對及帶有此鹼基對的螢光蛋白基因及轉運核醣核酸。圖片來源:nature

因此科學家在基因位點151處插入新鹼基,其序列為AXC;並且也設計了帶有GYT反密碼子的 tRNA 並在表現在細菌中。透過螢光顯微鏡的觀察,在有人工合成的 tRNA 的情況下,細菌能產生出帶有人工氨基酸的綠色螢光蛋白,並能成功地發出螢光。此研究證明了這些人工鹼基不但能被轉錄成mRNA,還能夠被人工tRNA轉錄成蛋白質。這振奮人心的成果則發表在了上星期的《自然》期刊上。

source:James Cavallini/Science

所以人工鹼基真的很有用嗎?

傳統上四個DNA鹼基的能夠被解讀為20種不同氨基酸的密碼,但是在加入了X和Y鹼基之後,現在氨基酸密碼可以額外增加至多152種不同的氨基酸。新增的152種反密碼子可以與人工合成的氨基酸結合,人們便可以創造新的蛋白質,未來可以應用於開發新藥和新素材。

未來讓細菌自行製造自然界不存在的蛋白質也許就像吃東西一樣簡單。圖片來源:kurzweilai

人工鹼基聽起來很厲害,但是這樣會不會不小心製造出了科學怪人呢?!

根據史丹佛大學的研究員Kool的講法,他認為人工鹼基會對生命或是生態造成的風險很低,因為這些生物本身並不能在實驗室以外生存。他也說道,實際上這些細菌無法自己製造X和Y鹼基,只能利用科學家另外合成的XY鹼基。因此和現存的基因工程技術相比,這反而是個相對不危險的方法。

合成生物學結合了物理、化學及生物等領域的知識提供了更多元的想法,科學家因而能利用各種生物機制創造出新的功能或生命。只要基礎科學一直有新發現,合成生物學的應用就會無邊無際。讓我們一起期待這些人工鹼基還能玩出什麼新花樣吧!

參考資料:

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李紀潔、羅鴻
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來自陽明大學基科所的畢業生,喜歡神經科學、遺傳和演化的企鵝狂熱二人組。本來對科普寫作毫無興趣,在大學老師強烈遊說之下仍然無動於衷,畢業後卻意外開始在泛科學寫科普文章。興趣分別是畫畫和魔術方塊。目前兩人都在德國攻讀神經科學博士,分別專攻老化和神經再生、電生理和動物行為。


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常見的指甲美容工具、技巧和風險

胡中行_96
・2022/05/19 ・3469字 ・閱讀時間約 7 分鐘

「我從自然、夢境與超現實的空間,得到許多靈感。由多方汲取,同時又非來自某個源頭。」國際藝術家 Juan Alvear 自白中的不確定性,簡直得請量子物理學家海德堡(Werner Heisenberg)來測量。

時尚雜誌《Vogue》最近在介紹 Juan Alvear 的時候,配了一幀照片:一隻右手食指的美甲,延伸成一根開出眼眸的銀色荊棘,尺寸約為該手指的四倍長。這件不明所以的作品,創作理念據說是在呈現深夜夢境所帶來的啟發。[1]

時尚雜誌《Vogue》介紹 Juan Alvear 時,配了一幀照片:一隻右手食指的美甲,延伸成一根開出眼眸的銀色荊棘。圖/Vogue

近年天馬行空的美甲造型蔚為風潮,連活體昆蟲都被納為材料,赫然突破普羅大眾對「多元媒材」創作的想像。[2], [3]就連風格相對「保守」的藝術家 Juan Alvear,在 Instagram 上也吸引了 5 萬追蹤者,其中包括他的顧客——時尚名媛 Paris Hilton 和英國歌手 Charli XCX。[1]估且不論指甲藝術的花費及其不實用性,單就美觀(或獵奇)的程度,便足以奪取眾人的目光。

指甲美容的風險

然而,從安全性的角度來說,進行指甲美容時,究竟得避開哪些危險因子?

2019 年《臨床與實驗皮膚科學》的〈指甲美容:皮膚科觀點〉以及 2020 年《國際女性皮膚科學期刊》的〈女性指甲健康〉二篇文章,列舉了數種常見的指甲美容商品和技巧,還有它們的健康風險。[4], [5]以下是綜合其他資料後,產出的清單,提供給愛美的泛科學讀者們參考。

估且不論指甲藝術的花費及其不實用性,單就美觀(或獵奇)的程度,便足以奪取眾人的目光。圖/Vogue

護甲油

護甲油(nail strengtheners)可以保護癌症病患因化療而變得脆弱的指甲,所以是極少數受到醫療人員大力推崇的美甲產品之一。[6], [7]護甲油分為「指甲強化油」(nail hardeners,又譯「硬甲油」)與「指甲滋潤油」(nail hydrators)二種。[8]

指甲強化油又再細分為二類:

  1. 交聯強化油(cross-linking hardeners)以甲醛和鈣質來與指甲中的蛋白質作用,進而提升指甲硬度。[8]甲醛濃度只要 0.006% 就可能導致接觸性皮膚炎,某些廠牌還高達 5%,所以有敏感體質的人,最好避免使用。[4]
  2. 加固強化油(reinforcing hardeners)用尼龍和硫氫基蛋白(sulfhydryl protein)等成份罩住指甲,增強硬度。[8]

指甲滋潤油

指甲滋潤油則是以礦物油、甘油、凡士林或蜂蠟等,來達到保養功效。[8]

指甲油

歷史上有不少民族,拿植物染料來為指甲上色。1932 年露華濃(Revlon)公司的創始人 Charles Revson,在用硝化纖維(nitrocellulose)製成的透明漆(clear lacquer)裡加入色素,做出第一罐現代指甲油(nail polishes或nail lacquers)。指甲油可透過減緩水份蒸散,來達到保濕功能。[5]

不過,許多市面上的產品都有添加甲苯磺醯胺-甲醛樹脂(tosylamide/formaldehyde resin),以提升色澤。該原料容易引發接觸性皮膚炎和氣喘,建議體質敏感的讀者,盡量避免。[4], [9]

除了過敏,塗抹指甲油的副作用,還包括以「假性白指甲」(pseudoleuconychia)樣貌呈現的「角蛋白顆粒化」(keratin granulation),以及指甲變色,嚴重影響外觀,因此不宜長期使用。[5]

塗抹指甲油的副作用包括過敏、角蛋白顆粒化,以及指甲變色,不適合長期使用。圖/PubMed

護甲基底油(base coats)算是指甲油的一種,被拿來打底用,目的是使指甲表面平滑,方便接著塗顏色較為鮮亮的指甲油。[10]據說能預防指甲變色,但不是對每個人都有效。[11]

美甲雕塑

美甲雕塑(sculptured nails)分為凝膠指甲(gel nails)和水晶指甲(acrylic nails)二種,都是採用液態丙烯酸(acrylate)或甲基丙烯酸(methacrylate)單體製作而成的壓克力顏料。[4], [12], [13]壓克力是手部「搔癢濕疹性皮膚炎」(pruritic eczematous dermatitis)的元兇之一,少數人甚至連臉蛋和脖子都會出現過敏症狀。[4]

凝膠指甲,亦稱作「光療指甲」(ultraviolet light–curable nail lacquer),特色是持久,又不易脆裂、刮傷。凝膠指甲油這種壓克力顏料,摻有過氧化苯醯(benzoyl peroxide)之類的光引發劑(photoinitiators),塗在指甲或塑膠甲片上,再用 UV (波長340~380 nms)或 LED 光線照射,就會聚合硬化。[4], [12], [13]

值得注意的是,雖然有些美甲光療機採用 UV 燈,有的則是LED燈,但實際上二種都會釋放出 UV 射線。[14]理論上,這種每次 3 到 5 分鐘,約 2 到 4 週重複一次的美甲行為,不算非常危險。[4]它所帶來的 UV 曝曬量,跟把皮膚曬成古銅色的助曬美容比起來低很多。[14]

然而,相關研究仍發現,有人因為長年接觸 UV 射線,甲下皮(hyponychium)黏在指甲上,造成「指甲反向胬肉」(pterygium inversum unguis;胬,注音:ㄋㄨˇ),修剪指甲時會痛。[4], [14], [15]還有更嚴重但罕見的情形,就是可能引發「鱗狀細胞癌」(squamous cell carcinoma)。[4], [14]

為了預防「指甲反向胬肉」,美國皮膚癌基金會建議,於使用美甲光療機前 20 分鐘,在手上塗抹廣效性防曬油。不過,此保護措施對防範「鱗狀細胞癌」無效。[14]

水晶指甲用的壓克力顏料可「自發聚合」(spontaneous polymerization),所以無需照射 UV 或 LED 光線,常與延長甲片搭配使用。[4], [12]

延長甲片

延長甲片(nail extensions)除了美觀,也能矯正變形的指甲,但最好不要裝太長,免得意外讓指甲和下面的皮膚(甲床)分開,造成「甲床剝離」(onycholysis)。 [5]

延長甲片能矯正變形的指甲,但最好不要裝太長,免得造成甲床剝離。圖/PubMed

指甲拋光機

指甲拋光機(nail drills)又稱「指甲打磨機」,常用於卸除美甲雕塑,若操作不慎,容易傷及周邊皮膚,或穿透指甲。[5]

去光水

去光水(nail polish removers)的主成份丙酮,可能造成指甲脆化和「刺激性皮膚炎」(irritant dermatitis)。為避免傷害指甲質地,建議每週最多使用一次。[5]

指緣軟化劑

指緣軟化劑(cuticle removers)裡頭的氫氧化鈉(sodium hydroxide),會激起某些人皮膚的發炎反應,而且指緣其實本來就不應該被去除。[5]

黏貼型美甲產品

被黏貼型美甲產品(stick-on nail dressings)封住的指甲,可能因暫時的「過度水合」(overhydration)而變薄。黏貼時使用的瞬間膠(cyanoacrylate glue,又譯「三秒膠」),會產生「放熱反應」(exothermic reaction),因此偶有全層皮膚燙傷的案例不幸發生。此外,在拆卸黏貼型美甲產品,清潔指甲底下的空間時,要小心別使甲床剝離。[5]

結語

最後,塗抹顏色或黏貼裝飾,都會妨礙醫師觀察指甲。例如:有一名婦女 30 年前曾注意到指甲有異常的條紋,但她不以為意,只是一直用指甲油覆蓋。等情況嚴重到無法掩飾,才被醫師診斷出「黑色素瘤」(melanoma)。此時,病灶已經由皮膚表層向下深入 0.42mm。[4]

閱讀完一長串的健康危害之後,您是否好奇頂尖美甲藝術家怎麼對待自己的指甲?「近來,比起延長甲片,我更崇尚天然」,Juan Alvear 坦言:「因為服務客戶時,我的指甲總是被磨到或刮傷。」[1]

參考資料

  1. Nail Files: Juan Alvear on Why “Cutesy Toes” and “Spiky Nails” Do, In Fact, Go Together
  2. 浮誇系美甲當道!2021 年夏季美甲師最愛的出人意表 27 個美甲趨勢
  3. 最噁爛美甲……把活螞蟻關進指甲 還瞎扯:牠們有在呼吸
  4. Reinecke, J. K., & Hinshaw, M. A. (2020). Nail health in women. International journal of women’s dermatology6(2), 73–79.
  5. Dinani, N. & George, S. (2019). Nail cosmetics: a dermatological perspective. Clin Exp Dermatol, 44: 599-605.
  6. Nail Changes
  7. Chemotherapy side effects: physical changes
  8. Nail Hardeners vs. Nail Hydrators: Which Works Best for Brittle Nails?
  9. 美容作業人員有機溶劑暴露及通風設施改善與管理探討─以美甲人員為例
  10. Trending – Nail Polish
  11. Rieder, E. A., & Tosti, A. (2016). Cosmetically Induced Disorders of the Nail with Update on Contemporary Nail Manicures. The Journal of clinical and aesthetic dermatology9(4), 39–44.
  12. 壓克力高分子的應用
  13. What Is Gel Nail Polish Made of?
  14. Ask the Expert: Are the UV Lamps in the Dryers at the Nail Salon Safe to Use?
  15. 國際電腦漢字及異體字知識庫:胬

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胡中行_96
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曾任澳洲臨床試驗研究護理師,以及臺、澳劇場工作者。 西澳大學護理碩士、國立台北藝術大學戲劇學士(主修編劇)。臉書:荒誕遊牧。