要打要跑還是要忍？植物的生長策略比你想得更複雜

《科學生》科普素養閱讀一篇不到3元!!
年訂輸入summer1000，現折1000元

超級抗生素．萬古黴素 3.0 （vancomycin 3.0）在今年五月發表，搭載三種殺菌絕招，效能更勝初代萬古黴素25000倍！只要通過動物和人體試驗，就有機會成為對抗細菌感染強而有力的後盾。

在抗生素問世之前，細菌感染一直是人類揮之不去的死亡威脅。直到1928年的秋天，亞歷山大．弗萊明（Alexander Fleming）發現了能夠抑制細菌生長的青黴素（penicillin），並在第二次世界大戰中使用它拯救了無數軍人的生命，人類才就此吹響了反擊細菌的號角。

而在青黴素之後，科學家陸續發現越來越多新型抗生素，名字帶著幾分神話和武俠感的萬古黴素（vancomycin）就是其中一種。然而，細菌與人類的戰爭並沒有隨著抗生素的發明畫上休止符，反而是展開了一場無止盡的軍武競賽。

細菌感染的最後一道防線

自1958年開始，萬古黴素就被人類用來對抗那些特別危險的細菌感染，被稱作是「最後一道防線」。當其他抗生素都失效的時候，醫生可能就會使用它，例如耐甲氧苯青黴素金黃色葡萄球菌（methicillin-resistant Staphylococcus aureus）。

萬古黴素會針對細菌的細胞壁展開攻擊：它會找出那些尾端由2個D-丙胺酸（D-alanine）組成的多肽，與之結合、阻礙細胞壁形成，最後造成細菌死亡。

然而，即使是萬古黴素也無法威風萬世，細菌的演化遲早會讓萬古黴素失靈。科學家發現，許多細菌多肽尾端的兩個D-丙胺酸，其中一個已經置換成D-乳酸（D-lactic acid），這個改變已經成功削弱了萬古黴素的結合能力。更糟糕的是，這項特性已經在某些最恐怖的細菌身上發現，包括耐萬古黴素腸球菌（vancomycin-resistant enterococci, VRE）和耐萬古黴素金黃色葡萄球菌（vancomycin-resistant Staphylococcus aureus, VRSA）。

面對細菌頑強的演化，科學家只能積極應對，要不是找出新的強力抗生素，不然就是研發出更強的萬古黴素。

在細菌之壁上再次決鬥吧！

為了解決抗藥性的問題，美國克里普斯研究所（Scripps Research Institute）的化學家戴爾．博格（Dale Boger）與他的研究團隊開始研發萬古黴素的新版本，好讓它可以和末端為D-ala和D-lac的多肽結合。他們在2011年取得初步成果。於此同時，其他團隊也開發出了利用萬古黴素殺死細菌的新戰術：一種替代方法是中斷細胞壁的合成，另一種是在細胞壁上打洞，藉此殺死細菌。

而在2017年5月，博格和他的研究團隊研發出了集結三種戰術於一身的新型抗生素－－萬古黴素 3.0。經過測試，萬古黴素3.0對抗VRE和VRSA等細菌的能力至少比初代萬古黴素強上25000倍。

更令人驚豔的是，新型萬古黴素在對抗細菌演化的持久度似乎比現有抗生素都還要強。大部分的抗生素在細菌繁衍幾代（round）之後就會開始失效，但博格等人的實驗中，細菌在繁衍了50代之後仍無法演化出抗藥性。

博格認為萬古黴素3.0之所以如此有效，是因為細菌很難找到同時對抗來自三種獨立機制的方法。「就算它們找到其中一種解法，也會被其他兩種殺死。」博格說。

人類的希望指日可待？

關於這項研究成果，耶魯大學的化學家史考特．米勒（Scott Miller）將之形容為「數十年來研究的集大成」。他認為過去人類都只是透過各種試誤方法，看看新找到的化合物是否會阻止細菌孳生；然而，這份研究展示出科學家分析微生物的弱項並加以打擊，理性的設計新型抗生素，才成功取得了勝利的果實。

不過，萬古黴素3.0其實還沒有準備好進入人類試驗。下一步，博格的研究團隊將改良合成萬古黴素的30道程序，好讓它的生產變得更加便宜。然後，它得先通過動物試驗，最後才是人類。如果它順利通過測試，人類對抗致命細菌的最後防線將會變得更加牢固。

參考資料

• Robert Service. “Superantibiotic is 25,000 times more potent than its predecessor.” ScienceMagazine. May 30 (2017)

原文研究

• Okano, A., Isley, N. A., & Boger, D. L. (2017). Peripheral modifications of [Ψ [CH2NH] Tpg4] vancomycin with added synergistic mechanisms of action provide durable and potent antibiotics. Proceedings of the National Academy of Sciences, 201704125.

對某些人來說，昆蟲可能他們避之唯恐不及的可怕小生物，但這些小小昆蟲的身軀中，有著出乎意料精巧的呼吸系統喔！

假如跑去街訪問問題：「動物是怎麼呼吸的呢？」會收到什麼答案呢？

有些比較直觀的小朋友可能會直接了當的回答：「用鼻子和嘴巴！」。

有些很厲害的的人可能會回答：「透過氣體交換，肺和心臟能夠透過循環系統……」完美描述了整套呼吸循環系統。

對動物更了解的人可能會回答：「人是用肺、魚是用鰓，兩生類則是小時候用鰓，長大用肺……」一類一類動物分開討論，不同種類的動物呼吸方式是不一樣的。

不過多數人常常都漏掉了一種類群：昆蟲。

昆蟲的鼻子在哪裡？先從構造說起

你可能會有點沒印象，到底昆蟲是用什麼器官在呼吸的。是肺嗎？好像也不是，而且昆蟲好像沒有鼻子。

告訴你，昆蟲其實也沒有肺喔！牠們是透過所謂的「氣管系統」(tracheal system) 來進行全身的呼吸及氣體交換。

昆蟲的呼吸系統由氣管 (trachea)、小氣管 (tracheole)、氣門 (spiracle) 還有氣囊 (air sacs) 所組成。所有的空氣都是透過位於外骨骼上的氣門來進出昆蟲的身體，通常都會出現在昆蟲的腹部或側面喔！空氣從氣門進去後，透過氣管不斷分支，最後傳到小氣管，其分支末梢就散佈在體細胞間，而氧氣跟二氧化碳就能透過擴散作用達到氣體交換。

再複雜一點的版本，也就是這些氣體進到微氣管的分支後，微氣管潮濕的表面就能讓氧氣更好的進行擴散作用。氧氣擴散進一旁的體細胞膜後，就能被細胞所使用，而二氧化碳也是如此從體細胞排出的。

和人類不同的是，昆蟲的血液循環系統和呼吸系統是不互相影響的。人類透過心臟將經過肺的充氧血打到全身，來使全身細胞獲得氧氣；昆蟲則是全身的細胞都直接與小氣管相連，因此昆蟲沒有進行氣體交換的肺部。

不過這種呼吸方式，其實對於長距離的氣體運輸效率較低，所以這也是大部分昆蟲體積不大的原因之一。

所以說，要回答昆蟲到底是用哪裡呼吸，從外骨骼的氣門，到遍布全身的大小氣管，我們可以說，昆蟲們可是用了全身在呼吸呢！

自由開關的氣門

不過你可能會想，所以昆蟲都一直是靠著被動的氣體運輸來維持呼吸的嗎？難道所有的昆蟲都只會呆呆的等空氣自己送進身體裡來嗎？其實也不是這麼回事喔。許多昆蟲的氣門都能透過收縮肌肉關閉，也能透過舒張肌肉使氣門放鬆打開。而氣門的開閉，通常透過中樞神經系統來控制，不過也能被氣門四周細胞中的化學成分所調控。同時，氣門的開關也能調節水分的散失。

不過你可能沒想到，氣門還能拿來吹口哨呢！有些蛾類的幼蟲就能透過開關特定的氣門，再收縮排氣，讓自己的身體像笛子一樣吹出聲音來呢，被推測可能牠遭受獵食時威嚇天敵的手段。

• 延伸閱讀：吹口哨的毛毛蟲

雖說是這樣，但氣門同時也成為了某些昆蟲的一大罩門……

相信很多人都有聽過，肥皂水能夠將許多人恨得牙癢癢的蟑螂輕鬆消滅。這是因為肥皂或清潔劑都屬於界面活性劑，能溶解蟑螂身上的蠟質與油脂，溶解的蠟質和油脂會把氣門堵住，造成蟑螂因無法呼吸窒息而死囉！

由此可見，氣門真的對昆蟲來說十分重要呢！

讓氣管彎曲收縮又不變形的「螺旋帶」

接著，就讓我來說說昆蟲的呼吸系統中比較特殊的構造吧！

過去，科學家認為昆蟲的氣管都像是一條條水管一樣硬邦邦的管子，且認為所有昆蟲都是透過被動擴散作用來呼吸。但實際上，科學家後來才利用 X 光顯微鏡，發現昆蟲的氣管能收縮，而且並不是硬硬的，而且還會藉由收縮肌肉來主動呼吸喔！

• 延伸閱讀：昆蟲如何呼吸？—— X 光顯微鏡之應用

既然氣管不是硬硬的，而且能透過主動收縮來呼吸，這樣氣管難道不會因為壓力的問題而變形嗎？

嘿，別擔心，小小的昆蟲體內可是很精巧的！實際上，昆蟲的氣管內皮細胞內側都圍繞著一層名叫螺旋帶 (Taenidia) 的環狀構造，又薄又堅固，使氣管不會塌陷扭曲，且同時可以幫助氣管適當彎曲伸展。

儲存空氣與預備空間：氣囊

最後，你若是再仔細看看上面的昆蟲的呼吸循環示意圖，你會發現有一個個像是氣球一樣的袋子我們還沒提到呢！這個隨著氧氣與二氧化碳的進出放大縮小的袋子，其實就是所謂的「氣囊」。

氣囊不是每種昆蟲都有，但氣囊真的就是個像氣球一樣的構造，與氣管分支們相連接，能夠透過關閉氣門來儲存空氣，而且氣囊是氣管系統中少數沒有螺旋帶的區域，可以很大幅度的折疊伸縮。

當昆蟲處在一個蒸發量高的環境，昆蟲就能將空氣儲存在氣囊，再透過關閉氣門來達到防止水分散失。若是昆蟲在水下環境，那氣囊可就更厲害囉，除了能讓昆蟲在水下呼吸之外，還能夠根據氣囊大小來調整浮力呢！

同時，氣囊也參與了昆蟲們的「蟲生」中，一段非常重要的歷程──蛻皮 (Molt)！

由於昆蟲是靠外骨骼支撐，所以為了長大，就得要將「小舊皮」換成「大新皮」，才能容納自己逐漸成蟲的身體，這種現象我們就稱為「蛻皮」。

不過在還沒蛻皮之前，昆蟲的身體已經逐漸長大，那些塞不下的體積都去哪了呢？實際上，氣囊就給牠們提供了很好的緩衝空間喔！藉由壓縮氣囊騰出空間讓器官成長，同時，當蛻皮結束時，昆蟲就將他們的氣囊盡可能的撐大，讓新長成的外骨骼更大，於是昆蟲就能靠著氣囊與蛻皮不斷的長大啦！

看來，昆蟲的呼吸系統不只有呼吸相關，還與成長息息相關啊！是不是很令人印象深刻呢？

下次若是再有人問你動物是怎麼呼吸的，可別忘記昆蟲啦！這時，你就能向他們介紹昆蟲精妙小巧的氣管系統啦！

參考資料

1. Matthew R Webster, John J. Socha, Luciano Teresi, Paola Nardinocchi, Raffaella De Vita less (2015).Structure of tracheae and the functional implications for collapse in the American cockroach. Bioinspir. Biomim. 10 066011
2. 嘎嘎昆蟲網—昆蟲為什麼要蛻皮？
3. Wikipedia – Respiratory system of insects

俐落短髮、爽朗笑聲，榮獲 2016 年吳健雄傑出女科學家新秀獎的清華大學分子與細胞生物研究所副教授王慧菁，其實很「學生樣」，若非特別說明，要從學生群中認出她可得費一番功夫。

對社會貢獻所學 研究聚焦 B 型肝炎

「我們發現 B 型肝炎病人的毛玻璃肝細胞（ground glass hepatocytes, GGH），若發生 preS2 突變，未來得到肝癌的機率也比較高」。

王慧菁笑著說，研究 B 肝完全是個意外。雖然家中沒有人得到這個疾病，但基於「科學家要做對大眾有益的事」的想法，進入成功大學微生物及免疫學研究所之後，王慧菁就跟著指導老師蘇益仁，在成大醫院的病理部實際觀察 B 肝病人的臨床病理檢驗。而「真實看到檢體」的經驗，也讓她的研究更貼近醫療現場，為患者著想。

被稱為國病的 B 型肝炎，其實是一種世界性疾病，只是較常見於亞洲、非洲、南歐、拉丁美洲等地。根據長年從事肝病研究的台大醫學院名譽教授許金川，從民國 85 年到 94 年、針對全國各縣市十六萬民眾的流行病學調查研究指出，民國 96 年時，台灣大約有 17.3% 的 B 肝帶原者（約 300 萬人），比例不算太低。由於過去研究已經證實，B 肝帶原者肝炎若持續發作，有 15~20% 會發展成肝硬化，最後導致肝癌，罹癌機率比非帶原者高上數十倍。

找出 B 肝致病機制 新藥設計對症下藥

這麼龐大的族群帶來健保沉重負擔，醫界卻還沒找出根治方法，只能透過干擾素或抗病毒藥物來抑制受感染的細胞反應。由於 B 型肝炎主要透過血液與體液感染，台灣在民國 73 年開始全面施打疫苗後，帶原者數量已經大幅下降。只是已經感染的病患卻因為沒有方法根治，終身都得跟病毒共處。

看見這個學術缺口，從研究所時就開始接觸 B 肝的王慧菁說，根治 B 肝病毒是這個領域科學家的最終夢想。她從研究中發現，B 肝病人肝臟中的毛玻璃肝細胞，基因若發生 preS2 蛋白突變，就會影響細胞有絲分裂，讓細胞不正常製造含有很多細胞核的突變細胞，這類細胞基因不穩定、往往就是癌細胞產生的前兆。

「我們希望可以找出被感染的細胞有什麼弱點、跟正常細胞有何不同，針對這個特性設計新藥」。

在有絲分裂過程中發生了什麼事？

所以有絲分裂是什麼？它又怎麼影響被 B 肝感染的肝細胞？

提到這個關鍵字，王慧菁眼睛一亮，彷彿開啟一道異世界之門。有絲分裂（mitosis）其實是指細胞分裂時將細胞核染色體分配到子核的過程，事實上細胞在進行分裂時，不單單只是將複製好的姊妹染色體粗暴的分開，其中需要許多調控機制的配合，才能確保細胞正確分離。

透過重重實驗王慧菁發現，細胞內的 PICH 蛋白會和拓撲酶（topoisomerase）一起作用，在拓樸酶剪斷姊妹染色體纏繞結構的過程中，PICH 蛋白會負責確認拓樸酶有剪斷所有 DNA，整個工作才算完成；換句話說，如果沒有 PICH 幫忙，姊妹染色體很容易在還沒完全剪斷前就被迫分開，損傷的 DNA 容易產生錯誤蛋白，而帶有 DNA 損傷的細胞「最後就很有可能成為癌細胞」，找到這個關鍵，等於找出細胞癌化的重要因子。

此外，因為癌細胞的新陳代謝與正常細胞不同，往往需要產生更多蛋白質來應付細胞所需，而熱休克蛋白是製造（摺疊）蛋白質的重要因子。王慧菁發現，被 B 肝病毒感染的毛玻璃肝細胞，需要很多熱休克蛋白、製造比一般正常細胞更多的蛋白質才能存活，一旦破壞這個平衡，細胞很快就會因為失去能量而死亡。

也就是說，只要「抑制熱休克蛋白，就能幫助清除被 B 型肝炎感染的細胞」，若能將目前進展到小鼠階段的實驗，推進到製作「能清除被 B 型肝炎感染細胞的新藥」，也許根治 B 肝就不會只是夢想，王慧菁這樣形容。

喜歡看細胞動作片 一頭栽進有絲分裂領域

修過生物基礎課程的人應該都知道，細胞有 90% 的時間都處在分裂的準備期（又稱為「間期」），只有進入有絲分裂時，才會真的「動起來」。相較於動也不動的細胞，王慧菁說自己超級喜歡看「細胞動作片」，這也是她在國家衛生研究院完成博士後研究、到德國馬普生化所研究時的意外發現。

只不過像分子生物這種針對細胞間訊息傳遞的基礎研究，往往和臨床應用還有一大段距離，正因為如此，王慧菁時刻提醒自己，不管做得再認真「基礎研究的最終目的，還是希望幫助患者」。

採訪即將結束之際，王慧菁指著牆上一幅貓頭鷹畫像，笑著說這是帶她入門的恩師蘇益仁，送來祝賀她當選吳健雄傑出女科學家獎的賀禮，以整夜不睡覺、掛著厚重黑眼圈的貓頭鷹，代表老師眼中日以繼夜做研究的自己。

甫離開辦公室，我心裡想的是，用研究成果回饋社會，大概就是科學家最浪漫的事吧。