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第一台電子顯微鏡|科學史上的今天:4/7

張瑞棋_96
・2015/04/07 ・1206字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 558 ・八年級

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魯斯卡(右) 與其教授 Mark Knoll 的電子顯微鏡。圖/Ernst Ruska Archiv e.V Source Fair Use Only

自從十六世紀末顯微鏡問世以來,人們才驚訝地發現,原來在生活周遭潛藏著肉眼看不見的大千世界。虎克看見排列整齊的植物細胞,雷文霍克發現水中充滿微生物;隨著顯微鏡不斷地改善,我們也一直往萬物的內部深入,但這樣的進程終於撞上了一堵牆,一堵無法翻越的牆──可見光的波長限制。

就像你無法用油漆刷子描出螞蟻的輪廓;當物體本身或是兩個物體之間的距離小於可見光波長的二分之一,無論顯微鏡的透鏡與照明可以做到如何完美的程度,看起來也只是模糊一團。白光的平均波長是 0.55 微米,因此 0.275 微米就是那道牆,就是光學顯微鏡無法突破的極限。想要飛越這道牆,只能另起爐灶,關鍵在於找到更短的波長。

科學的發現或發明往往源自於無心插柳。1928 年,還是大學生的魯斯卡 (Ernst Ruska, 1906-1988) 在教授 Mark Knoll 的指導下,研究如何利用陰極射線做出示波器。當時已經知道所謂陰極射線就是電子束,而且可以用磁場控制電子的飛行方向。然而要用電子束即時在螢光幕上畫出正確的波形,電磁線圈就得讓電子束精確的聚焦在特定的點上,就如同光束經過凸透鏡而聚焦在一點上;此時電磁線圈也就與凸透鏡一樣具有放大的效果。

經過三年的努力,魯斯卡終於在 1931 年的今天做出史上第一台電子顯微鏡的原型機;但它的放大倍數只有 14.4 倍,即使是特別備製的樣本,也只能放大 17 倍,遠遜於光學顯微鏡,因此他與指導教授都還刻意避免使用「電子顯微鏡」這個字眼。當魯斯卡在暑假得知德布羅意的物質波理論後(德布羅意於 1929 年就因為這個理論獲頒諾貝爾物理獎,魯斯卡與教授竟然都未注意!),才知道電子既是粒子,也是一種波,而且波長只有可見光的十萬分之一。這代表電子顯微鏡勢將遠遠超越光學顯微鏡!

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受此激勵,魯斯卡終於在 1933 年做出第一台突破光學顯微鏡極限的穿透式電子顯微鏡。隨著技術的進步,如今電子顯微鏡已可放大達數百萬倍,並有不同原理的掃描式電子顯微鏡,成為物理、化學、生物、醫療、……等各種不同領域突飛猛進的重要關鍵。魯斯卡因此於 1986 年與發明掃描穿隧式顯微鏡的兩位科學家一起獲頒諾貝爾物理獎。值得一提的是,光學顯微鏡並未就此罷休;2014 年的諾貝爾化學獎就是頒給在光學顯微鏡上另闢蹊徑,突破極限的科學家。

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。

文章難易度
張瑞棋_96
423 篇文章 ・ 953 位粉絲
1987年清華大學工業工程系畢業,1992年取得美國西北大學工業工程碩士。浮沉科技業近二十載後,退休賦閒在家,當了中年大叔才開始寫作,成為泛科學專欄作者。著有《科學史上的今天》一書;個人臉書粉絲頁《科學棋談》。

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少了目鏡的數位顯微鏡
顯微觀點_96
・2024/04/16 ・1996字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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本文轉載自顯微觀點

顯微鏡在觀察微小物體上發揮非常重要的作用,但傳統光學顯微鏡通常愈將倍率放大,景深就愈淺,在觀察立體的生物標本或是組織切片,觀察者無論怎樣調焦,依然無法獲得完全清晰的圖片。數位顯微鏡便能解決這樣的問題。

數位顯微鏡和光學顯微鏡最大的差異在於觀察方式。數位顯微鏡不像傳統顯微鏡透過目鏡來觀察,而是使用數位相機獲取畫面,再將即時畫面投影到連接的電腦螢幕。

三要件組成數位顯微鏡

數位顯微鏡結合了傳統光學顯微鏡、數位多媒體和數位處理技術,其成像系統通常包括三個模組:顯微鏡光學模組、資料擷取模組、數位影像處理和軟體控制模組。

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顯微鏡光學模組執行顯微成像的功能,將欲觀察的樣本影像聚焦。一旦聚焦,資料擷取模組就會將影像以數位格式儲存在感光元件,如 CCD(電荷耦合裝置‍)或 CMOS‍(互補式金氧半導體),再透過 USB 或其他介面傳輸到電腦儲存裝置。

軟體控制模組則是整個數位顯微鏡系統的核心,可即時控制、優化擷取的影像,並加以處理、分析測量。尤其隨著功能更強大的電腦出現,數位顯微影像可以得到更有效和高效的處理,例如可以取代手動計數功能,或是快速推疊或拼接影像。

公式

Dtot 表示景深,λ 是照明光的波長,n 是物鏡至觀察物體間介質的折射率,NA 是物鏡的數值孔徑

e 是放置在顯微鏡物鏡圖像中,可分辨的最小距離,M 是橫向總放大倍率

從公式可以看到,景深和總放大倍率幾乎成反比。而以過去難以同時兼備的高倍率和大景深來說,使用顯微鏡調整焦點,搜尋並到達分佈在不同深度的樣本後,再以數位成像設備捕捉分佈在這些深度的所有清晰影像,傳輸到電腦就能產生高品質、清晰的影像。

另外,也可結合雷射和共軛焦顯微鏡觀察不同深度的橫斷切面影像,再利用電腦影像處理和 3D 重建演算法,便能可以獲得高解析度的立體輪廓,進而觀察複雜的細胞骨架、染色體、細胞器和細胞膜。

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數位顯微鏡的電腦即時處理也常應用在動態或活體(in vivo)檢測的研究中,例如細胞膜潛在變化、藥物進入組織或細胞膜的過程等。

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數位顯微鏡的倍率計算

傳統顯微鏡的總放大倍率為目鏡倍率 x 物鏡倍率,既然數位顯微鏡拿掉了目鏡改以數位相機、電腦取代,該如何計算總放大倍率呢?

數位顯微鏡除了光學放大倍率,還必須考慮數位放大倍率,因此總放大倍率=光學放大倍率 x 數位放大倍率

  • 光學放大倍率:物鏡放大倍率 x C 型轉接環放大倍率

由於連接顯微鏡和相機通常有一個 C 型轉接環(C-mount),且內建鏡頭。因此必須先將物鏡放大倍率乘以轉接環的放大倍率。

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  • 數位放大倍率=螢幕(顯示器)尺寸/感光元件尺寸

數位放大倍率必須考慮的元素有螢幕和感光元件。通常螢幕的對角線尺寸以英吋為單位,因此必須先將測量值轉換為毫米(mm);以 19 吋顯示器為例,其對角線測量值則為 19 吋 x 25.4=482.6 (mm)。

感光元件尺寸同樣以對角線的測量值來計算。以 1” 的晶片來說,其對角線測量值為 16(mm)。

感光元件規格(英吋)對角線
1″12.89.316
2/3″8.86.611
1/1.8″7.25.49
1/2″6.44.88
1/2.5″5.84.37
1/3″4.83.66
1/4″3.22.44

因此若以 10X 的物鏡搭配 0.67X 的 C 型轉接環,變焦 5X 後使用 2/3”CMOS 攝錄器拍攝並投影在 24 吋螢幕上。此時總放大倍率為:10 X 0.67 X 5 X 24 X 25.4 / 11 = 1856.5 (倍)

不過,隨著技術的不斷進步,數位顯微鏡和光學顯微鏡間的界限變得越來越模糊,有些數位顯微鏡採用更多光學元件,光學顯微鏡也採用了數位相機技術;相信打破藩籬的那一天指日可待。

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參考資料

  1. Digital vs. Optical Microscopes: An In-Depth Comparison
  2. How to Calculate Microscope On-Screen Magnification
  3. Chen, X., Zheng, B., & Liu, H. (2011). Optical and digital microscopic imaging techniques and applications in pathology. Analytical cellular pathology (Amsterdam)34(1-2), 5–18.

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顯微觀點_96
3 篇文章 ・ 1 位粉絲
從細微的事物出發,關注微觀世界的一切,對肉眼所不能見的事物充滿好奇,發掘蘊藏在微觀影像之下的故事。

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筆耕卅五載,洞鑒電路板春秋——專訪PCB切片權威白蓉生
顯微觀點_96
・2024/03/30 ・4463字 ・閱讀時間約 9 分鐘

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本文轉載自顯微觀點

低調的電子產品之母

拆開任何現代電子產品,都可以發現印刷電路板(Printed Circuit Board, PCB)的踪影。從地球外的人造衛星、最新款 iPhone 到傳統桌上型電話,印刷電路板都在其中乘載元件、傳遞訊號,因此也被稱為「電子產品之母」。

臺灣是舉世聞名的 PCB 出口大國,儘管出現廠商逐廉價勞動力外移的趨勢,臺灣企業的市占率依然超過三成,位居全球第一。

在追求精密化、提高良率的產業進步過程中,分析 PCB 切片顯微影像是不可或缺的步驟。要看得細膩真確,則有賴 PCB 樣本製備及影像判讀,兩項需要精密操作、耐心和敏銳判斷力的技術。

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從拋光臺到編輯臺

現年 85 歲的白蓉生,是兩岸 PCB 業界備受尊敬的分析技術權威,曾獨立經營《電路板資訊雜誌》8 年,並擔任臺灣電路板協會《電路板季刊》總編輯 25 年。他磨練 PCB 切片檢驗與判讀能力 40 餘年,持續對業界分享他的獨門 PCB 顯微分析心得。

影像來源:顯微觀點

自 1980 年代以來,白蓉生公開發表超過 800 篇圖文並茂的 PCB 檢測技術文章,並擔任國內外重要廠商的技術顧問。他不藏私的經驗分享,促成 PCB 製造商的技術躍進與營業成長。

PCB 檢測過程中,光學顯微檢驗是最為基礎,也提供最多資訊的步驟。進入顯微載物台之前,PCB 需要經過切片取樣、封膠、研磨、拋光、微蝕等步驟。其中切片與研磨、拋光需要格外細緻的操作能力,才能在顯微鏡下呈現清晰平整的切面。

良好的 PCB 切片樣本,可以將整個切面維持在同一個焦平面,均勻呈現孔道的鍍銅品質、不同金屬間介面的良窳,整個水平面上的顯微景觀都維持清晰對焦。透過尋找細微瑕疵,來改進 PCB 的製造過程。

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「在放大 1000 倍、3000 倍後,都可以維持切面對焦的樣本,才是合格的切片樣本。」

—在每一篇技術文章都分享數十張顯微影像的白蓉生如此強調。
平焦與起伏對比切片小圖20231013163621
圖 1 與圖 2 是常見 QA 等級的切片,同一個視野中就出現失焦。圖 3 與圖 4 則整個視野都能清晰成像,符合白蓉生要求的 FA 切片標準。影像來源:白蓉生

精細樣本製備與多重顯微技巧

白蓉生以業界檢驗分級 QC(Quality Control, 品質管理), QA(Quality Assurance, 品質保證), FA(Failure Analysis,故障分析)為案例,「合格的 FA,追求整個切片視野的焦聚一致,一覽無遺。一般 QC 或 QA 人員,慣於接受觀察球面樣品,對於看不清楚的部分不了了之。」

他指出,業界常見的球面切片無法得到清晰的全面影像,是研磨與拋光的技術與耐心不足。焦點起伏不定的切面無法展現細節中的魔鬼,工程師自然也無法精進製程、更換材料以祛除瑕疵,。

現任職欣興電子技術顧問的白蓉生,在廠內建立 FA 切片師的培訓與考試機制,30 年來僅有 20 多人合格。製備合格切片之後,影像判讀是分析製程的必須能力,因此白蓉生設立與 FA 切片師並行的 FA 判讀師制度,迄今也只有 20 多人合格。

白蓉生感嘆,「切片與判讀都需要下苦功練習,30 年來只有 3 個人獲得切片師與判讀師雙料合格。」

—來向他學習切片與判讀技術的,往往是 PCB 業界的資深工匠或管理階級,要放下既有經驗與身段並不容易。

白蓉生笑說,「來學切片判讀的,常常是經理或副理,對專業經驗自視甚高。但他們所學愈深,就愈是謙遜。登堂入室,才發現前方學海無涯。」

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白蓉生善用多種顯微技巧,樣本中的細微差異都無法逃脫他的法眼。影像來源:白蓉生

隨著顯微技術演進,業界流行使用電子顯微鏡觀察切片,認為看愈小愈好。白蓉生卻堅持以光學顯微影像作為判讀依據。因為在電子顯微鏡下,只有黑白影像,無法利用顏色分辨不同材質。

白蓉生說「用電顯判讀的結果,無法分析顏色。我認為都是胡說,像是文盲在看書。儘管能看到很小的顆粒,分析人員也只能看著黑白影像說:『那是雜質』。」

切換明視野、暗視野、偏光干涉等光學技術,再搭配透視與立體顯微鏡的組合,PCB 切片中不同金屬在白蓉生鏡下呈現明顯對比,相同金屬也會因為歷經不同處理而呈現不同顏色。電鍍銅與化學銅的差異、電鍍與焊接的品質,都在白蓉生的顯微影像中一覽無遺。

領導業界規格 畢生追求精進

除了基本的明場自然光,白蓉生也分享他常用的顯微技巧:以明場光源搭配干涉,在最暗與最亮的偏光下可獲得透視效果。明場兼用偏光與干涉可以使銅面呈現立體效果,且電鍍銅會呈現藍色易於分辨。採用偏光與干涉的單純暗場則能呈現最佳的材質對比效果。

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白蓉生強調,「因為能看出金屬介面的細緻型態,我們才能知道技術要如何改進。」

—「而不是把顆粒都標籤為『異物』,說服自己製程、材料很完美,失去進步的機會。」

在白蓉生指引的工藝改革下,原本表現平庸的欣興電子成為精密載板的重要國際供應商。他得意地說,「我們製作的 Daisy Chain 載板佈線連貫強韌,承受 500 次熱漲冷縮測試之後,電阻增加不到 5%。技術紮實到連 Nvidia 這種頂級客戶都大吃一驚。」

欣興電子雇用白蓉生為顧問後,他追求精進的態度製程水準帶來革命般的改變。白蓉生回憶,早先欣興電子的產品良率不到八成,「或許剛好可以維持公司運作,但也無利可圖。」

現在欣興電子的高階 IC 載板良率已穩定超過 9 成 5,股價也成長超過十倍。白蓉生笑說,「我沒有因為公司股票賺錢!我原本就不想要賺大錢,因為錢多了沒用,只是徒增煩惱。」

電鍍銅細微變形
電動車用的 5G 通訊電路板,在 50 次回焊之後必須維持電阻值變化在 5% 之內。圖中的細小變形就會導致電阻值增加。影像來源:白蓉生
電鍍銅在50次回焊後軟化變形
電路板回焊 50 次後,電鍍銅軟化變形,可能導致電阻增加。業界進行品質管控時經常忽略這種細節。需要細緻的顯微觀察技術才能發現。影像來源:白蓉生

以紙上技藝傳遞電路板工藝

話雖如此,白蓉生也坦承,「當年創立《電路板資訊雜誌》是生活所需,因為從安培離職,沒工作就沒收入啦!」

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從資深工程師轉為科技月刊發行人兼總編輯,白蓉生的生活更加忙碌,全副精神都浸泡在 PCB 技術知識的研讀和傳遞中。

他回憶,當時他自己擔任總編輯兼送報生,手稿交由妻子與另一位打字員處理,在沒有網路的時代,每一期要繳出 5 萬字圖文並茂的稿子。除了努力訪問國內廠商、專家,也要大量編譯國外刊物內容。當年雜誌收入以廣告費為主,每個月可以得到超過 20 份廣告委託,在沒有前例的科技月刊市場上,開拓出意外佳績。

《電路板資訊雜誌》從 1988 年發行至 1996 年,白蓉生在 8 年間自力編譯、採訪、寫作,從早晨六點到午夜睡前,都在蒐集資料、勤奮筆耕。

「我一周六天都在編雜誌,沒有應酬娛樂,也沒請過病假,因為連生病的時間都沒有!」

—月刊生涯的辛勤讓白蓉生難以忘懷。

雜誌停刊之後,白蓉生享受了兩年退休生活,發現自己閒得發慌。他受邀擔任臺灣電路板協會(Taiwan Printed Circuit Association, TPCA)的顧問及《電路板季刊》總編輯,繼續研究、傳授電路板顯微影像的判讀方法,以及細緻的製程改善技巧。

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白蓉生老師 小圖

《電路板季刊》迄今已發行 100 期,白蓉生也成為華語世界最重要的電路板知識傳遞者。

懷有珍貴 PCB 分析知識與技術的白蓉生,在兩岸業界深受重視,是各大廠商極力邀請的講師。他的判斷力不是來自學校或公司的教育體系,而是靠著多年來的勤奮自學。

好學、勤奮與謙虛的自我養成

白蓉生說,他少時家貧,因此就讀師範學校以省下學費,還能領錢和白米幫助家境。但師範學校學歷不如一般大學(當時師範學校專門培育小學校教師,僅需 3 年教育),心有不甘的白蓉生在小學任教三年後,考上中興大學化學系,同時擔任小學老師和大學生。

白蓉生在大學畢業後進入中華航空擔任化學工程師,反覆的電鍍工作並未帶給他成就感,他於是轉職美商安培電子(Ampex)。1969 年起,白蓉生在安培電子大量接觸 PCB 製造與檢測的第一線作業,開啟了鑽研 PCB 分析判讀的專業道路。

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1969 年,安培電子於桃園設廠,是臺灣 PCB 生產王國的發軔時刻。白蓉生在此接觸到國內最先進的 PCB 工藝。他樂於在下班之後繼續研究檢測材料,探索各種慣例外的顯微方法,逐步建立自己的 PCB 切片檢查技巧。

手動拋光使刮痕消失
樣品拋光也是白蓉生長年執著而深入的技術。他對學生一概要求手動拋光,以免電動轉盤拋光機的力量導致表面起伏不平。他強調,要用衣物布料等級的棉質針織布輕柔拋光,才能得到平坦無刮痕的樣品。影像來源:白蓉生

除了 PCB 製造工藝的獨到見解,對文學的喜愛也是白蓉生筆耕不輟的動力來源。他說,自己求學時力求節儉,一直步行上學,超過 40 分鐘的漫漫路途是他背誦古文的時間,對文學的興趣、寫作的欲望隨著路程逐漸滋長。

對於中年轉行,成立沒有前例可循的專業技術雜誌,白蓉生笑稱,「當初發行頭幾期雜誌就燒完 6 萬塊積蓄,我還真不知道能不能回本。」

從技術專家、顧問到專業刊物總編輯,白蓉生拓展並傳承 PCB 分析工藝將近半世紀。他至今保持30年前「永晝方塊每隨飯,長夜蟹文伴枕眠」的強韌動力,投入 PCB 檢測、寫作與講課,建構低調踏實的臺灣電路板工藝文化。

他認為,電子產業是臺灣立國基礎,業界訓練可以彌補產學落差,但好學、勤奮與謙虛的心態是學校或企業不能代勞的,得要由年輕世代主動保持。端正的學習心態結合不藏私的深入技術指導,能養成更多專業人才,使電路板工藝精進,提升業界整體價值。

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【2004諾貝爾化學獎】蛋白質的分解機器
諾貝爾化學獎譯文_96
・2022/09/12 ・6710字 ・閱讀時間約 13 分鐘

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本文轉載自諾貝爾化學獎專題系列,原文為《【2004諾貝爾化學獎】蛋白質的分解機器

  • 譯者/蔡蘊明|台大化學系名譽教授

譯者前言:今年的諾貝爾化學獎又落入了生化學家的口袋,連續兩年頒給生化學者並不常見,我想這應該是反映了現在化學研究的熱門趨勢。今年的諾貝爾化學獎讓我們注意到細胞是如何精妙的去控制它的蛋白質系統,昨日(十月六日)我在中研院生醫所聽了一場 2002 年諾貝爾生理及藥學獎的得主 H. Robert Horvitz 的演講,那是另一個熱門的題目:細胞凋亡,真是一場精采的演講,同樣的我們看到這些蛋白質的另一種運作。前幾日與一位生技系的學生聊到他未來想走的方向,言談之間他似乎認為蛋白質的化學已經熱門了好一陣子了,恐怕熱潮已過。不過從現實來看,在諾大的生命體系中,我們對它的瞭解實在是太少了,由這些蛋白質的研究看來,我覺得蛋白質的化學仍應是方興未艾吧!

後記:  詹健偉是我在 2003 年教過的學生,他原在植微系,後來轉入了生化科技系,從起初對生物系統的興趣加上對化學的熱愛導致他轉入生化科技的領域,然而這些年他逐漸的體認:「只有化學才能完美的解釋生物體系」,現在他已經決定投入“化學生物學”的領域。健偉是個認真的學生,他讀我的翻譯文章極為仔細,更進一步的從一個學生化的背景看出我許多翻譯的謬誤以及不通順之處。約莫半年前碰到他,他主動的提及願意幫我修改,一直到最近才讓我如願。有學生如此,是我的福分,感謝健偉也祝福他!

— 蔡蘊明 謹誌於 2006 年 10 月 9 日

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一個人的細胞中含有上百萬種的不同蛋白質,它們具有無數的重要功能:例如以酵素(或稱為酶)的型式存在的化學反應加速者,以荷爾蒙的型式存在的訊息傳導物質,在免疫的防禦上扮演要角以及負責細胞的型態和結構。今年的諾貝爾化學獎得主:席嘉諾佛(Aaron Ciechanover)、赫西柯(Avram Hershko)以及羅斯(Irwin Rose)研究在細胞中如何對一些不需要的蛋白質加上一種稱為泛素(ubiquitin)的多胜肽標籤,藉以調節某些蛋白質的存在,他們的研究在化學知識上有重要的突破。這些被加上標籤的蛋白質,接著會在一個稱為蛋白解體(proteasome)的細胞"垃圾處理機"中迅速的降解。

透過他們發現的這個蛋白質調節系統,這三位學者使得我們能在分子的層次瞭解細胞如何的控制許多重要的生化程序,例如細胞週期、DNA 的修補、基因的轉錄以及新合成之蛋白質的品質管制。有關這種形式之蛋白質凋亡控制的新知識也使得我們能解釋免疫防禦系統如何的運作,這個系統的缺陷可造成包括癌症在內的不同疾病。

被貼上毀滅標籤的蛋白質

分解是否需要能量?

當大部分的注意力和研究都集中在企圖瞭解細胞如何的控制某些蛋白質的合成時(這方面的研究產生了五個諾貝爾獎),與其相反的蛋白質降解則一直被視為是較不重要的。其實有一些簡單的蛋白質降解酶是早就知道的,一個例子就是胰蛋白酶(trypsin),這是一個存在於小腸中,將食物中的蛋白質分解為胺基酸的一種酵素。類似的,有一種稱為溶體(lysosome)的細胞胞器也早就被研究過,它的功能是把由細胞外吸入的蛋白質降解。這些降解程序的共通性在於這些功能不需要能量。

不過早在 1950 年代的實驗就顯示要分解細胞本身所具有的蛋白質是需要能量的,這個現象一直困擾著研究者,這個矛盾也就是今年的諾貝爾化學獎的背景:亦即細胞內蛋白質的分解需要能量,但是其它蛋白質的分解卻不需要額外的能量。解釋這個需要能量的蛋白質分解過程是由 Goldberg 與其研究夥伴在 1977 年踏出了第一步,他們從一種稱為網狀紅血球(reticulocyte)之未成熟的紅血球,製造出一個不含細胞的萃取物,倚賴ATP(ATP = adenosine triphosphate;是一種細胞的能量貨幣)的能量,這種物質可以催化不正常蛋白質的分解。

運用這個萃取物,今年的三位諾貝爾化學獎得主在 1970 年代後期及 1980 年代初,透過一系列劃時代的生化研究,成功的顯示在細胞中的蛋白質分解,是透過一系列一步步的反應,導致要被摧毀的蛋白質被掛上一個稱為泛素(ubiquitin)的多胜肽標籤。這個過程使得細胞可以非常高的專一性分解不需要的蛋白質,而且就是這一個調控的過程需要能量。與可逆的蛋白質修飾例如磷酸化(1992 年的諾貝爾生理醫學獎)不同之處是:被聚泛素化(polyubiquitination)調控的反應,常是不可逆的,因為被掛上標籤的蛋白質最後被摧毀了。大部分的這些工作是在以色列 Haifa 大學的赫西柯以及席嘉諾佛在休假年,於美國費城的 Fox Chase 癌症中心的羅斯博士的實驗室所完成的。

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泛素的標籤

這個後來被發現用在需要分解掉的蛋白質上所貼的標籤,早在 1975 年就從小牛胸腺中被分離出來,它是一個由 76 個胺基酸所組成的多肽,該分子被認為參與在白血球的成熟過程中,其後由於這個化學分子在各種不同的組織和生物體中(細菌除外)亦被發現,因此被賦予了泛素(ubiquitin)的名稱(ubique在希臘文中有到處或廣泛的意思)(圖一)。

(圖一)泛素:一個共通的多胜肽代表"死亡之吻"

發現由泛素所媒介的蛋白質分解

在赫西柯取得博士學位之後,研究了一陣子肝細胞中倚賴能量的蛋白質分解,不過在 1977 年決定改為研究上述的網狀紅血球萃取物,這個萃取物含有大量的血紅素,嚴重的影響實驗,在企圖利用層析法來去除血紅素時,席嘉諾佛以及赫西柯發現這個萃取物可被分成兩個部分,二者個別都沒有生化活性,但是他們發現一旦二者混合在一起,那個倚賴 ATP 的蛋白質分解活性就恢復了。在 1978 年他們發表了其中一個部分中的具活性物質,是一個對熱穩定的多肽,分子量只有 9000,他們稱之為 APF-1,這個物質後來證實為泛素。

席嘉諾佛,赫西柯,與羅斯在 1980 年發表了兩份決定性的突破工作,在這之前 APF-1 的功能是完全不清楚的。這頭一份報告顯示 APF-1 是以共價鍵(就是一種很穩定的化學鍵結)與萃取物中的各種不同蛋白質結合。在第二部份的報告更進一步的顯示有許多個 APF-1 鍵結在同一個目標蛋白上,此一現象被稱為聚泛素化(polyubiquitination)。我們現在知道這個將目標蛋白質多次泛素化的步驟,是一個導致蛋白質在蛋白解體(proteasome)中降解的啟動信號;也就是這個聚泛素化反應,在蛋白質貼上降解的標籤,或可稱其為"死亡之吻"。

就這麼一擊,這些完全未預期的發現,改變了其後的研究方向:現在就可以集中力量開始鑑定那些將泛素接上蛋白質標靶的酵素系統。由於泛素普遍的存在於各種不同的組織和生物體中,大家很快的體認到,由泛素所媒介的蛋白質分解對細胞一定是很普遍而重要的。研究者更進一步的推測,那個倚賴 ATP 的能量需求,可能是為了讓細胞控制這個程序的專一性。

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這個研究領域就此大開,而在 1981 到 1983 年間,席嘉諾佛,赫西柯,羅斯與他們的博士後研究員及研究生發展了一套“多重步驟泛素標籤化假說”,這個假說是基於三個新發現之酵素的活性,他們稱這三個酵素為 E1、E2與E3(圖二)。我們現在知道一個尋常的哺乳類細胞含有一個或數個不同的 E1 酵素,大約幾十個 E2 酵素,以及幾百個不同的 E3 酵素,就是這個 E3 酵素的專一性,決定了在細胞中要為哪些蛋白質貼上標籤,然後在垃圾處理機中摧毀。

到這個節骨眼為止,所有的研究都是在沒有細胞的系統中進行的,為了也能夠研究泛素所媒介的蛋白質降解之生理功能,赫西柯與其協同工作人員發展了一種免疫化學方法:用數種放射性胺基酸,以瞬間脈衝的方式來培養細胞,可標定細胞內某一個瞬間所合成的蛋白質。但是泛素中剛好沒有這幾種胺基酸,所以在這瞬間合成的泛素並未被放射性標記。利用泛素的抗體,可以將 "泛素-蛋白質"複合體自該細胞中分離出來,而其中的蛋白質的確具有放射性標記。實驗結果顯示,細胞中也確實以泛素系統來分解有缺陷的蛋白。我們現在知道細胞中大約 30% 的新合成蛋白質都會被垃圾處理機分解,因為它們沒有通過細胞的嚴格品質管制。

(圖二)泛素所媒介的蛋白質降解
  1. E1 酵素活化泛素分子,這個步驟需要 ATP 形式的能量。
  2. 泛素分子被轉移到另一個不同的酵素 E2。
  3. E3 酵素可辨認需要摧毀的目標蛋白質,"E2-泛素"複合物和"E3酵素"結合的位置,非常接近目標蛋白質。這個非常接近的距離,使得泛素標籤足以被轉移到目標蛋白上。
  4. E3 酵素釋放出具有泛素標記的蛋白質。
  5. 最後一步重複數次直到一個由泛素分子構成的的短鏈接在目標蛋白質上。
  6. 這個泛素的短鏈在垃圾處理機的開口處被辨識後,泛素標籤脫落而蛋白質被允許進入並被切成碎片。

蛋白解體-細胞的垃圾處理機

什麼是蛋白解體?一個人類細胞含有約 30,000 個蛋白解體,這個桶狀的結構體可以基本上將所有的蛋白質分解為七到九個胺基酸長短的胜肽,蛋白解體的活性表面是位於桶的內璧,也就是與細胞的其它部份是分隔開來的,唯一能進入蛋白解體的桶中活性表面的方式是必須透過"鎖",鎖能夠辨認接有多個泛素構成的短鏈之蛋白質,藉由 ATP 的能量將蛋白質變性(denature),並在泛素構成的短鏈移除後允許蛋白質進入,並將之降解,降解出來的胜肽由蛋白解體的另外一端釋放出來。因此蛋白解體本身並不能挑選蛋白質,決定哪一些蛋白質需要貼上銷毀的標籤,是 E3 酵素的工作。(圖三)

(圖三)細胞的垃圾處理機。黑點代表具有蛋白質分解活性的表面。

最近的研究

當貼上泛素標籤的蛋白質分解過程背後的生化機制在 1983 年被暴露後,它在生理學上的重要性尚未能完全掌握,雖然知道它在銷毀細胞內具有缺陷的蛋白質上是非常重要的,但是再進一步的,就需要一個突變的細胞來研究泛素的系統,藉著仔細的研究一個突變的細胞與正常的細胞在不同的生長條件下有何不同,希望知道細胞中有哪些反應是與泛素的系統有關,這才能得到更清晰的概念。

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一個突變的老鼠細胞在 1980 年由一個東京的研究小組分離出來,他們的突變老鼠細胞含有一個因為突變之故而對溫度非常敏感的蛋白質。在較低溫度時它能發揮應有的功能,但是在高溫時則否,因此在高溫時培養的細胞會停止生長。此外,在高溫時它們顯示其 DNA 的合成會有缺陷以及一些其它的錯誤功能。一群在波士頓的研究人員很快的發現這個突變鼠細胞中對熱敏感的蛋白質是泛素活化酵素 E1,顯然泛素的活化對細胞的運作及複製是不可或缺的,正常蛋白質分解控管不僅對細胞中不正確蛋白質的銷毀很重要,也可能參與了細胞週期、DNA 的複製以及染色體結構的控管。

從 1980 年代末期開始,研究者鑑定出許多生理上很重要的基質是泛素所媒介的蛋白質分解機制中的標靶,在此我們僅提幾個最重要的為例子。

避免植物的自我授粉

大部份的植物是兩性或雌雄同株的,自我授粉將會導致基因多樣性的逐漸喪失,長期而言將造成該物種的完全絕滅,因此為了避免這個情形,植物利用泛素所媒介的蛋白質分解機制來排除"自身"的花粉,雖然完整的機制尚未明朗,但是已知 E3 酵素參與了運作,而且當加入蛋白解體的抑制劑時,排除自身花粉的能力就被削弱。

(圖四)細胞週期中控制染色體分離的機制:剪刀代表分解蛋白質的酵素而綁住剪刀的繩子代表它的抑制劑,APC 將這條繩子貼上標籤造成繩子的分解,剪刀就會釋放出來,接著將那條綁在染色體周圍的繩子切斷,最後造成染色體分離。

細胞週期的控制

當一個細胞要複製自己的時候會有許多的化學反應參與其中,在人體中的 DNA 有六十億個鹼基對必須複製,它們聚集成必須拷貝的 23 對染色體。普通的細胞分裂(也就是有絲分裂),形成生殖細胞(減數分裂),都與今年的諾貝爾化學獎的研究領域有許多交集。在此運作的 E3 酵素稱為"有絲分裂後期促進複合體"(anaphase-promoting complex簡稱 APC),其功能在檢查細胞是否離開了有絲分裂期,這個酵素複合體也被發現在有絲分裂及減數分裂過程中,對染色體的分離扮演了重要的角色。有一個不同的蛋白質複合體,它的功能就好像是一條綁在染色體周圍的繩子,將一對染色體綁在一起(圖四)。在一個特定的訊號出現後,APC 會在一個"降解蛋白質酵素"的抑制劑上貼上標籤,因此這個抑制劑就會被帶到蛋白解體中分解掉,而前述的那個降解蛋白質的酵素就會被釋放出來,在經過活化後將那條綁在染色體周圍的繩子切斷,一但繩子脫落,那一對染色體就會分離。在減數分裂時,錯誤的染色體分裂,是造成孕婦自然流產最常見的原因;一條多出來的人類第 21 號染色體會導致唐氏症;大部份的惡性腫瘤會具有數目改變的染色體,其原因也是由於有絲分裂時錯誤的染色體分裂。

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DNA 的修補,癌症以及細胞凋亡

蛋白質 p53 被封為"基因體的守護神",它也是一個腫瘤抑制基因(tumor-suppressor gene),這個意思是只要細胞能製造 p53 就可以阻擋癌症的發生。可以非常確定的,在所有人類癌症中有至少一半的蛋白質是突變的。在一個正常細胞中,蛋白質 p53 一直不斷的被製造和分解,因此其數量是很低的,而它的分解是透過泛素標籤化過程以及負責與 p53 形成複合體的相關 E3 酵素來調控;當 DNA 受到損傷後,蛋白質 p53 會被磷酸化而無法與 E3 酵素結合,p53 的分解無法進行,因此細胞內的 p53 數量迅速增高。蛋白質 p53 的功能是作為一個轉錄因子(transcription factor),換言之就是一個調控某些基因表現的蛋白質。蛋白質 p53 會與控制 DNA 修補以及細胞凋亡的基因結合,並調控該基因,當它的數量升高時會影響細胞週期藉以保留時間給 DNA 修補的運作,倘若這個 DNA 的損傷過於嚴重,計劃性細胞凋亡將會啟動而導致細胞的"自殺"。

人類乳突病毒的感染與子宮頸癌的發生有極大的關聯性,這個病毒避開了 p53 所控制的關卡,它的方法是透過它的蛋白質去活化並改變某一個 E3 酵素(稱為 E6-AP)的辨識行為,E6-AP 被騙去將蛋白質 p53 貼上死亡的標籤而造成 p53 的消失,這個後果是被感染的細胞無法正常的修補其 DNA 所受到的傷害或者引起計劃性細胞凋亡,DNA 突變的數目增加最後終於導致癌症的發生。

免疫與發炎反應

有某一個轉錄因子調控著細胞中許多與免疫防禦及發炎反應有關的重要基因,這個蛋白質,亦即這個轉錄因子,在細胞質中是與一個抑制蛋白質結合在一起的,在這個結合的狀態下,此一轉錄因子是沒有活性的。當細胞暴露到病毒時或有其它的訊號物質出現時,這個抑制蛋白質就會被磷酸化,接著被貼上銷毀的標籤而送到蛋白解體中分解掉,此時被釋放出來的轉錄因子被運送到細胞核中,在那裡它與某些特定的基因結合,進而啟動這些基因的表現。

免疫防禦系統中,被病毒感染的細胞,會利用泛素-蛋白解體系統,將病毒蛋白質降解到適當大小的多肽,這些多肽會被呈獻到細胞的表面。T 淋巴細胞會辨識這些多肽然後攻擊這些細胞,這是我們的免疫系統對抗病毒感染的一項重要防禦方式。

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纖維囊腫症(cystic fibrosis)

一個稱為纖維囊腫症的遺傳疾病,簡稱 CF,是由一種不具功能的細胞膜氯離子通道(稱為 CFTR;纖維囊腫跨膜通道傳導調節蛋白)所造成。大部份的纖維囊腫病患都具有一個相同的基因損傷,也就是一個在 CFTR 蛋白質上缺少了一個苯丙胺酸的胺基酸。這個突變導致了這個蛋白質的錯誤摺疊結構,使得該錯誤摺疊蛋白被保留在細胞的蛋白質品管系統中,這個品管系統要確實的將此一錯誤摺疊的蛋白質透過泛素-蛋白解體系統銷毀,而不能將之傳送到細胞膜上,一個沒有正常氯離子通道的細胞將無法透過細胞膜傳送氯離子,這就影響到肺部以及一些其它組織的分泌系統,造成肺黏膜液的增加而破壞其功能,更大幅的增加其受到感染的危險性。

這個泛素系統已經成為一個很有趣的研究領域,可用來發展治療各種疾病的藥物,在此的工作方向可以利用泛素所媒介的蛋白質分解機制去避免某些特定蛋白質的分解,也可以設計成讓這個系統將某一個不想要的蛋白質清除。已經有一個在進行臨床實驗的藥,那是一個稱為 Velcade(PS341)的蛋白解體抑制劑,可以用來醫治多重性骨髓瘤(multiple myeloma),這是一種會影響體內製造抗原的細胞的一種癌症。

今年的得獎者從分子的基礎上解釋了一個對高等細胞而言極為重要的蛋白質控制系統,由泛素所媒介的蛋白質分解機制所控制的細胞功能,現在一直不斷的有新的發現,而這方面的研究也在世界各地無數的實驗室中進行著。

參考資料

這份文章是譯自諾貝爾獎委員會公佈給大眾的閱讀資料:

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http://nobelprize.org/chemistry/laureates/2004/public.html

有意進一步的瞭解就得詳讀以下資訊:

http://nobelprize.org/chemistry/laureates/2004/adv.html

原文附有一個很精采的動畫,對這個蛋白質控制系統有畫龍點睛之妙,推薦各位看看:

http://nobelprize.org/chemistry/laureates/2004/animation.html

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諾貝爾化學獎譯文_96
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「諾貝爾化學獎專題」系列文章,為臺大化學系名譽教授蔡蘊明等譯者,依諾貝爾化學獎委員會的新聞稿編譯而成。泛科學獲得蔡蘊明老師授權,將多年來的編譯文章收錄於此。 原文請參見:諾貝爾化學獎專題系列