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新型高效能篩選平台發現抑菌天然物分子,研發抗生素新方向

PanSci_96
・2018/03/02 ・1237字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 793 ・高於十二年級
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  • 抗藥性細菌已對人類健康形成重大威脅,研發新型的抗生素以對付抗藥性細菌因而成為人類目前極需努力的方向。圖/EmilianDanaila@pixabay

新平台找到可作為抑菌劑的天然物分子

由於人類長久以來不當地使用抗生素,加上地球暖化與全球化,使細菌產生抗藥性的狀況日趨嚴重,在缺乏有效治療的情況下,抗藥性細菌已對人類健康形成重大威脅。因此,研發新型的抗生素以對付抗藥性細菌,是人類目前極需努力的方向。

天然物(natural products)一向是抑菌劑的重要來源之一。為了尋找新的細菌轉醣酶抑制分子,中央研究院吳韋伸博士生(國防醫學院生命科學所)在本院基因體中心翁啟惠院士與鄭婷仁博士指導下,研發出一種新型高效能篩選平台。透過這項技術,研究團隊篩選出 4 種天然物分子,可有效抑制細菌轉醣酶,未來可望進一步打造為新型的抗生素。本研究於近日發表於《美國化學學會期刊》(Journal of the American Chemical Society)。

新平台,新篩選角度

在目前使用的抗生素中,有些抗生素的作用為阻止細菌的細胞壁之合成,細菌細胞壁的主要成份為胜肽聚醣(peptidoglycan),它是由盤尼西林結合蛋白(penicillin-binding protein)中的「轉醣酶(transglycosylase)」和「轉胜肽酶(transpeptidase)」催化合成。

細菌細胞壁主要由胜肽聚醣(peptidoglycan)組成,它是由盤尼西林結合蛋白(penicillin-binding protein)中的「轉醣酶(transglycosylase)」和「轉胜肽酶(transpeptidase)」催化合成。

針對「轉胜肽酶」的抗生素在過去已有顯著的進展,然而,目前可以抑制「轉醣酶」的化學分子卻是少之又少,且都尚未能發展成可供人類使用的抗生素。事實上,「轉醣酶」就座落在細菌細胞壁外圍,具容易與小分子接觸的特性,而且它也是細菌合成細胞壁時不可或缺的要素,非常適合作為對抗細菌的標的。因此,針對「轉醣酶」設計開發新型抗生素,成為現階段消弭抗藥性細菌的重要目標。

研究團隊本次首先研發出一種採用親和性分離的篩選平台(affinity-based search),此平台可以快速且高效率地分離並純化出細菌轉醣酶的抑制分子。透過這個機制篩選再經結構鑑定後,研究團隊找到 4 種天然物分子(TAN1532B、Bequinostatin E、Benastatin B、Albofungin)可有效抑制細菌轉醣酶。

這些天然物分子不僅能夠抑制細菌轉醣酶,更具有廣泛的抑菌效果,尤其是可以成功抑制抗藥性葡萄球菌與抗藥性腸球菌的生長。除此之外,其中一種分子(Albofungin)對大部分的革蘭氏陰性菌均能有效地抑制其生長,例如,它可以對抗鮑氏不動桿菌(Acinetobacter baumannii)、綠膿桿菌(Pseudomonas aeruginosa)與克雷伯氏肺炎菌(Klebsiella pneumonia),以及這些細菌的抗藥性突變株。

研究團隊表示,目前已與其他實驗室合作,測試相關分子對不同臨床抗藥性菌株的效果,並計畫以這些分子與細菌轉醣酶結合的結構,發展更有效的抗生素。

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俄軍使用了真空彈!什麼是溫壓武器?它的原理和可怕之處在哪?
Lea Tang
・2022/03/14 ・1688字 ・閱讀時間約 3 分鐘

根據烏克蘭政府及人權組織的報告,俄羅斯軍隊將集束炸彈和溫壓武器使用在對烏克蘭的戰事上——此項指控在 3/10 得到俄國國防部的承認(confirmed)

一種燃燒空氣的爆炸裝置

俄羅斯軍隊所使用的溫壓武器系統 TOS-1A,是俗稱「真空彈」的空投高功率真空炸彈。這類毀滅性的裝置通常以火箭發射或空投炸彈的形式部署,透過選擇不同的燃料——有毒金屬粉末或含有氧化劑之有機物質與炸藥共同施放。

彈藥發射後,空氣中的氧扮演助燃的角色,分散的燃料團於是成了一顆巨大火球。

對生物具有致命威脅

由於火球會在一瞬間用掉周遭所有的氧氣,真空彈的威力比傳統炸彈大,燃燒時間也更長。遇到真空彈攻擊時,幾乎沒有方法能夠自保——巨大的衝擊波能穿透任何未密封的遮蔽物,即使你位處地底下。

若是瞄準封閉空間投放真空彈,則會產生更為嚴重的後果。美國中央情報局(CIA)在 1990 年的一份報告中描述道:

那些靠近著火點的人會直接消失,至於爆炸邊緣的人則會受到嚴重的內傷,包括鼓膜和內耳器官碎裂、嚴重腦震盪、肺和內臟器官破裂,甚至可能失明。

使用溫壓武器的爭議性

溫壓武器最早由二戰時期的德國所研發。1960 年代,美軍在越南、阿富汗以及蘇聯在中國、車臣都曾使用過。雖然尚未有國際法明確禁止真空彈的使用,但根據日內瓦公約「禁止使用無法區分目標的無差別攻擊武器」以及國際人道法「禁止造成過度以及不必要的傷害」:

若是使用真空彈來攻擊建築區、學校或醫院的平民,根據 1899 年與 1907 年的海牙公約,你很有可能被判犯有戰爭罪。

區域內無差別攻擊

鑑於溫壓武器對建築物或掩體中防禦者的高度破壞性,它們主要被用於城市環境。但即使鎖定的是軍事設施或人員,在人口稠密的城市中使用溫壓武器,將波及爆炸範圍內的平民並造成大量傷亡。

過度殘忍的傷害

而儘管在特定狀態下,戰爭被賦予合法公正性,暴力也不得無限上綱。如果一種武器會延長士兵或平民的痛苦,並導致過度傷害,那麼該武器理論上是不被允許的。而溫壓武器顯然符合以上定義。

國際刑事法院檢察官卡里姆汗(Karim A.A. Khan QC)表示,他的法院將著手調查蒲亭對烏克蘭犯下的戰爭罪行。圖/ ICC

國際刑事法院展開調查

根據 1998 年《羅馬規約》,2002 年 7 月 1 日國際刑事法院於荷蘭海牙成立,職能是對犯有種族滅絕罪、危害人類罪、戰爭罪和侵略罪的個人追究刑事責任。因應立陶宛及 38 個成員國的要求,國際刑事法院(ICC)針對普亭對烏克蘭的非法入侵行動已積極展開調查。

俄羅斯於 2016 年退出國際刑事法院締約國,烏克蘭也不是締約國成員,但烏克蘭已經接受了國際刑事法院的管轄權,所以檢察官有權進行調查。英國外交大臣卓慧思(Liz Truss)在聲明中表示:

迫切需要國際刑事法院對俄羅斯的野蠻行徑進行調查,追究那些應為此負責的人。英國將與盟國密切合作,以確保正義伸張。

參考資料:

  1. What is a thermobaric or vacuum bomb?
  2. Ukraine war: Russia confirms it has used thermobaric weapons, says UK’s Ministry of Defence
  3. What are thermobaric weapons, and does Russia have them in Ukraine?
  4. What are thermobaric weapons? And why should they be banned?
  5. Statement of ICC Prosecutor, Karim A.A. Khan QC, on the Situation in Ukraine: Receipt of Referrals from 39 States Parties and the Opening of an Investigation
  6. UK leads call for ICC to investigate Russia’s war crimes
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不再只有0與1:台灣團隊發表新世代記憶體材料「鐵酸鉍」的光控技術
PanSci_96
・2019/05/23 ・1229字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 603 ・九年級
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  • 新世代記憶體材料——鐵酸鉍 (BiFeO3)是以光照控制記憶體裡的資訊。

隨著資訊科技的快速進步,物聯網、雲端運算、人工智慧及大數據分析等智慧化與自動化的技術正蓬勃發展。然而,在資訊處理與運算等過程中,資料的儲存是相當重要的一個環節,若能掌握大容量、小型化、高速、節能且可靠的儲存技術,便能建立超高效能的計算平台,大量提升資料處理的效率。

國立成功大學物理系楊展其助理教授(愛因斯坦計畫主持人)與陳宜君教授所帶領的研究團隊,在新世代記憶體材料——鐵酸鉍 (BiFeO3)的操控方式上,有重大突破。

鐵酸鉍(BiFeO3)是在一個存儲單元中可同時具有高達八種邏輯狀態(0-7)的多位元記憶體材料,比起傳統只能存儲 0 與 1 的單位元記憶體,可大幅地提升儲存資訊的密度。

研究團隊成功地開發新穎光學技術,可進行非接觸性地特性控制。使用這類材料與相關光控技術,可以大幅縮小現有記憶體的體積,也能夠降低耗能。應用於人工智能發展與雲端運算,更可減少讀取資料的延遲時間,加速演算速度,可望在未來微縮化多功能奈米元件的趨勢中,帶來革命性的突破。相關研究成果已於 5 月 6 日刊載於國際頂尖期刊「自然材料」(Nature Materials)。

高達八種邏輯狀態的記憶材料

成大團隊所研究的多邏輯位元記憶材料,對下一世代記憶體提供了全新方案。

傳統硬碟與記憶體的基礎單位為0與1的組合,受於此限制,基礎記憶單元只能靠不斷縮小元件尺寸才能提高記憶體密度,在開發上始終會達到極限。探尋具有更強大多元的邏輯狀態記憶能力之材料,以及全新的存取技術,可說是未來資訊科技發展的關鍵。

可光控多位元的鐵酸鉍記憶體。圖/科技部提供

陳宜君教授指出,以磁性金屬薄膜為主材料的傳統硬碟為例,只具有一個鐵磁有序性,用以紀錄 0 與 1 的資訊,而多鐵性材料「鐵酸鉍」的記憶單元為材料內自發的電偶極矩與電子自旋排列方向,記憶單元理論上可達次奈米尺度,且可在同一點存在多個記憶狀態(同時包含電、磁與反鐵磁有序),組合上可一次紀錄八組資訊於單個儲存單元中。而相較於現今商用非揮發性記憶體仍有斷電長時間後會損失資料的問題,多鐵性材料的記憶狀態更加穩定。

關鍵的光控技術

成大團隊這次研究最重要的突破,在於賦予該材料全光控的優勢,由於光是交變的電磁波,因此在傳統經驗中,光無法對材料產生多組態的記憶調變。楊展其助理教授表示,

團隊所提出的關鍵光控技術,可利用光照產生的局部形變進而控制鐵酸鉍中的多位元記憶組態。

利用光學寫入技術的記憶體不需任何借助任何金屬電極與複雜的元件製程,充分體現「材料即元件」之構想,不只提升了資訊存儲效益,也為新世代記憶體開發帶來全新的思考方式,使得該材料可被直接導入如量子儲存,量子通訊等結合尖端光學技術的跨領域科技。

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腎臟病又遇高血磷來搗亂,新型口服劑幫幫忙
活躍星系核_96
・2016/09/09 ・872字 ・閱讀時間約 1 分鐘 ・SR值 568 ・九年級
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  • 掃描式電子顯微鏡下的 Mg-Fe-Cl 磷結合劑粉末。圖/中興大學提供。

在台灣 20 歲以上的慢性腎臟病盛行率約 10%,高達 203 萬人!

這群患者因為腎臟的代謝功能出狀況,無法正常排出身體內的磷,使得血液裡的磷酸根離子增加,出現高血磷的症狀。對於正進行血液透析之腎臟病患而言,高血磷症會增加病患住院率及心血管病變死亡率,目前除了透過限制磷攝取量之外,就需要適當的利用磷結合劑控制血磷濃度。

早期的磷結合劑含有鈣或鋁,長期服用可能導致心血管、軟組織鈣化等副作用,且鋁離子沉積已被證實與腦病變有關。目前最新型的磷結合劑雖不含鈣或鋁,但價格昂貴,且有磷吸收能力不佳,或雖具高吸收磷能力但卻有令患者不適等副作用。

中興大學材料系教授汪俊延與博士生龍永豐成功開發「Mg-Fe-Cl 奈米層狀雙氫氧化物新型口服磷結合劑」,證實可降低血液中血磷濃度、尿素氮(BUN),以及血清肌酸酐(creatinine)等指數。未來在動物與人體試驗成功後,將可嘉惠慢性腎臟病患者。本項研究成果已發表於 2016 年 9 月 1 日出版的 Nature 子刊物 Scientific Reports

新型口服磷結合劑成效示意圖
新型口服磷結合劑成效示意圖。圖/中興大學提供。

汪俊延表示,本研究開發之 Mg-Fe-Cl 奈米層狀雙氫氧化物,對磷酸根離子的吸收具有良好效果,在模擬腸胃道環境的 pH 條件與時間下,可有效且穩定吸收 65% 磷酸根離子,並經陽明大學牙醫系教授黃何雄及博士後研究員孫瑛穗證實無潛在的細胞毒性。本研究下一階段將與興大獸醫系教授賴政宏進行長期動物實驗,以探究 Mg-Fe-Cl 奈米層狀雙氫氧化物於生物體之學理機制與安全性。

汪俊延補充,研究團隊開發 Mg-Fe-Cl 奈米層狀雙氫氧化物的製備方式亦有新的突破,材料的合成效率與速度比傳統的共沉法更為迅速,可節省數十小時至數天的後處理時間。

新型口服磷結合劑製程
新型口服磷結合劑製程。圖/中興大學提供。

 

本文改寫自中興大學新聞稿。

原始論文:Yung-Feng Lung et al., Synthesis of Mg-Fe-Cl hydrotalcite-like nanoplatelets as an oral phosphate binder: evaluations of phosphorus intercalation activity and cellular cytotoxicityScientific Reports 6, article number: 32458 (2016), doi:10.1038/srep32458

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活躍星系核_96
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活躍星系核(active galactic nucleus, AGN)是一類中央核區活動性很強的河外星系。這些星系比普通星系活躍,在從無線電波到伽瑪射線的全波段裡都發出很強的電磁輻射。 本帳號發表來自各方的投稿。附有資料出處的科學好文,都歡迎你來投稿喔。 Email: contact@pansci.asia