你所不知道的核酸：足以取代抗體搜尋功能的「適體」是什麼？有什麼作用？

本文與 BRITA 合作，泛科學企劃執行。

你確定你喝的水真的乾淨嗎？

如果你回到兩百年前，試圖喝一口當時世界上最大城市的飲用水，可能會立刻放下杯子——那水的顏色帶點黃褐，氣味刺鼻，甚至還飄著肉眼可見的雜質。十九世紀倫敦泰晤士河的水，被戲稱為「流動的污水」，當時的人們雖然知道水不乾淨，但卻無力改變，導致霍亂和傷寒等疾病肆虐。

幸運的是，現代自來水處理系統已經讓我們喝不到這種「肉眼可見」的污染物，但問題可還沒徹底解決。面對 21 世紀的飲水挑戰，哪些技術真正有效？

濾水技術：從霍亂危機到高效濾芯

19 世紀的歐洲因為城市人口膨脹與工業發展，面臨了前所未有的水污染挑戰。當時多數城市的供水系統仍然依賴河流、湖泊，甚至未經處理的地下水，導致傳染病肆虐。

1854 年，英國醫生約翰·斯諾（John Snow）透過流行病學調查，發現倫敦某口公共水井與霍亂爆發直接相關，這是歷史上首次確立「飲水與疾病傳播的關聯」。這項發現徹底改變了各國政府對供水系統的態度，促使公衛政策改革，加速了濾水與消毒技術的發展。到了 20 世紀初，英國、美國等國開始在自來水中加入氯消毒，成功降低霍亂、傷寒等水媒傳染病的發生率，這一技術迅速普及，成為現代供水安全的基石。    

 19 世紀末的台灣同樣深受傳染病困擾，尤其是鼠疫肆虐。1895 年割讓給日本後，惡劣的衛生條件成為殖民政府最棘手的問題之一。1896 年，後藤新平出任民政長官，他本人曾參與東京自來水與下水道系統的規劃建設，對公共衛生系統有深厚理解。為改善台灣水源與防疫問題，他邀請了曾參與東京水道工程的英籍技師 W.K. 巴爾頓（William Kinnimond Burton） 來台，規劃現代化的供水設施。在雙方合作下，台灣陸續建立起結合過濾、消毒、儲水與送水功能的設施。到 1917 年，全台已有 16 座現代水廠，有效改善公共衛生，為台灣城市化奠定關鍵基礎。

進入 20 世紀，人們已經可以喝到看起來乾淨的水，但問題真的解決了嗎？ 科學家如今發現，水裡仍然可能殘留奈米塑膠、重金屬、農藥、藥物代謝物，甚至微量的內分泌干擾物，這些看不見、嚐不出的隱形污染，正在成為21世紀的飲水挑戰。也因此，濾水技術迎來了一波科技革新，活性碳吸附、離子交換樹脂、微濾、逆滲透（RO）等技術相繼問世，各有其專長：

• 活性碳吸附：去除氯氣、異味與部分有機污染物

• 離子交換樹脂：軟化水質，去除鈣鎂離子，減少水垢

• 微濾技術、逆滲透（RO）技術：攔截細菌與部分微生物，過濾重金屬與污染物等

這些技術相互搭配，能夠大幅提升飲水安全，然而，無論技術如何進步，濾芯始終是濾水設備的核心。一個設計優良的濾芯，決定了水質能否真正被淨化，而現代濾水器的競爭，正是圍繞著「如何打造更高效、更耐用、更智能的濾芯」展開的。於是，最關鍵的問題就在於到底該如何確保濾芯的效能？

濾芯的壽命與更換頻率：濾水效能的關鍵時刻濾芯，雖然是濾水器中看不見的內部構件，卻是決定水質純淨度的核心。以德國濾水品牌 BRITA 為例，其濾芯技術結合椰殼活性碳和離子交換樹脂，能有效去除水中的氯、除草劑、殺蟲劑及藥物殘留等化學物質，並過濾鉛、銅等重金屬，同時軟化水質，提升口感。

然而，隨著市場需求的增長，非原廠濾芯也悄然湧現，這不僅影響濾水效果，更可能帶來健康風險。據消費者反映，同一網路賣場內便可輕易購得真假 BRITA 濾芯，顯示問題日益嚴重。為確保飲水安全，建議消費者僅在實體官方授權通路或網路官方直營旗艦店購買濾芯，避免誤用來路不明的濾芯產品讓自己的身體當過濾器。

辨識濾芯其實並不難——正品 BRITA 濾芯的紙盒下方應有「台灣碧然德」的進口商貼紙，正面則可看到 BRITA 商標，以及「4週換放芯喝」的標誌。塑膠袋外包裝上同樣印有 BRITA 商標。濾芯本體的上方會有兩個浮雕的 BRITA 字樣，並且沒有拉環設計，底部則標示著創新科技過濾結構。購買時仔細留意這些細節，才能確保濾芯發揮最佳過濾效果，讓每一口水都能保證潔淨安全。

不過，即便是正品濾芯，其效能也非永久不變。隨著使用時間增加，濾芯的孔隙會逐漸被污染物堵塞，導致過濾效果減弱，濾水速度也可能變慢。而且，濾芯在拆封後便接觸到空氣，潮濕的環境可能會成為細菌滋生的溫床。如果長期不更換濾芯，不僅會影響過濾效能，還可能讓積累的微小污染物反過來影響水質，形成「過濾器悖論」（Filter Paradox）：本應淨化水質的裝置，反而成為污染源。為此，BRITA 建議每四週更換一次濾芯，以維持穩定的濾水效果。

為了解決使用者容易忽略更換時機的問題，BRITA 推出了三大智慧提醒機制，確保濾芯不會因過期使用而影響水質：

1. Memo 或 LED 智慧濾芯指示燈：即時監測濾芯狀況，顯示剩餘效能，讓使用者掌握最佳更換時間。

2. QR Code 掃碼電子日曆提醒：掃描包裝外盒上的 QR Code 記錄濾芯的使用時間，自動提醒何時該更換，減少遺漏。

3. LINE 官方帳號自動通知：透過 LINE 推送更換提醒，確保用戶不會因忙碌而錯過更換時機。

在濾水技術日新月異的今天，濾芯已不僅僅是過濾裝置，更是智慧監控的一部分。如何挑選最適合自己需求的濾水設備，成為了健康生活的關鍵。

濾水技術：不僅是進步，更是守護未來

人類對潔淨飲用水的追求，從未停止。19世紀，隨著城市化與工業化發展，水污染問題加劇並引發霍亂等疾病，促使濾水技術迅速發展。20世紀，氯消毒技術普及，進一步保障了水質安全。隨著科技進步，現代濾水技術透過活性碳、離子交換等技術，去除水中的污染物，讓每一口水更加潔淨與安全。

今天，消費者不再單純依賴公共供水系統，而是能根據自身需求選擇適合的濾水設備。例如，BRITA 提供的「純淨全效型濾芯」與「去水垢專家濾芯」可針對不同需求，從去除餘氯、過濾重金屬到改善水質硬度等問題，去水垢專家濾芯的去水垢能力較純淨全效型濾芯提升50%，並通過 SGS 檢測，通過國家標準水質檢測「可生飲」，讓消費者能安心直飲。

然而，隨著環境污染問題的加劇，真正的挑戰在於如何減少水污染，並確保每個人都能擁有乾淨水源。科技不僅是解決問題的工具，更應該成為守護未來的承諾。濾水器不僅是家用設備，它象徵著人類與自然的對話，提醒我們水的純淨不僅是技術的勝利，更是社會的責任和對未來世代的承諾。

*符合濾(淨)水器飲用水水質檢測技術規範所列9項「金屬元素」及15項「揮發性有機物」測試
*僅限使用合格自來水源，且住宅之儲水設備至少每6-12個月標準清洗且無受汙染之虞

超過半世紀以來，生物課本一定會提到DNA由四個「字母」組成：A、T、C、G，不過現在科學家成功將新的「字母」新增到細菌中，而且和「天然」DNA一樣，在實驗室中具有轉錄、轉譯的生物功能。

加州斯克里普斯研究所（Scripps Research Institute）的生物學家羅莫斯伯格（Floyd Romesberg）努力15年，終於創造出帶有人造DNA「字母」的細菌，他說：「我們現在有一個帶有更多遺傳訊息的活生生細菌」。相關的研究成果發表在這一期的《自然》期刊。

DNA的四個「字母」其實是四種不同的含氮鹼基（base）：A－腺嘌呤（Adenine）、T－胸腺嘧啶（Thymine）、G－鳥糞嘌呤（Guanine）、C－胞嘧啶（Cytosine）。而且A與T配對，C與G配對，互補的兩股DNA就這樣編成完美的雙螺旋結構（如下圖）。要是能找到互補的兩種分子，並且像這四種鹼基一樣接在磷酸骨架上，理論上就能用新的「字母」寫出新的遺傳密碼。

這個簡單的想法在華生、克里克發表DNA雙螺旋結構不久後，就有科學家提出。不過一直到了1989年，蘇黎世聯邦理工學院（Swiss Federal Institute of Technology）的賓勒（Steven Benner）才和研究團隊將修改後的胞嘧啶（C, Cytosine）植入活體細菌中，讓細菌得以複製帶有「新．胞嘧啶」的DNA。

然而羅莫斯伯格這次的研究成果，又比先前賓勒的「新．胞嘧啶」更稱得上是一個「新字」。研究團隊列出60種有望成為「新字母」的分子，從3600種配對中發現 d5SICS 和 dNaM 最有希望成功（如下圖），特別是這兩種分子又和既有的DNA複製 / 轉錄機制相容，在試管中能轉譯成RNA，也能夠複製。

研究團隊讓這兩種分子合成在細菌質體DNA中，再將質體植入大腸桿菌（E. coli）。這段帶有「新字母」的DNA成功在細菌中複製還有轉錄，而且當細菌分裂時，還會帶著這段獨特的質體一起分裂。未來有可能找到更多能夠充當遺傳密碼「新字母」的分子，甚至整段DNA都不包含自然存在的A、T、C、G。

這項技術對遺傳工程來說，具有提高安全性的應用潛力。舉例來說，如果用來製藥的細菌使用人工「新字母」，那麼當細菌逃逸出實驗室，也會因為在自然界中得不到人造的「字母」，缺乏原料而無法複製繁殖。

羅莫斯伯格的研究團隊正在嘗試「寫出」更多胺基酸「單字」。目前已知的生物都是三個字母為一組「密碼子」（codons），轉錄/轉譯出胺基酸，有了新的「字母」，就有機會設計出能夠轉錄/轉譯更多胺基酸的生物。潛在的應用像是設計出精準毒殺癌細胞的胺基酸來治療癌症，或者具有螢光反應的胺基酸讓科學可以追蹤細胞。

參考資料：First life with ‘alien’ DNA. Nature News [07 May 2014]

研究文獻：Malyshev, D. A. et al. Nature http://dx.doi.org/10.1038/nature13314 (2014).

• IGEM CSMU Taiwan

什麼是適體？

提到 DNA 與 RNA，大家腦海裡第一個浮現出來的就是生物課的內容吧：

DNA 以具備 ATCG 四種不同含氮鹼基的核苷酸來記載生物遺傳資訊，而 RNA 負責翻譯這些遺傳資訊，進而製造生物體的一切構築原料。

但是 DNA 和 RNA 就只有像字典和翻譯機的功能嗎？如果你把他們想像的這麼簡單，那可是大錯特錯喔。他們可還有精確搜尋出目標的偵探能力呢！

首先，在你認知中的核酸構型長怎樣呢？所聯想到的大概就是那看起來神秘又唯美的雙股螺旋狀。因為許多影視作品的推廣，在大眾的印象中，DNA 的形象和雙股螺旋已經合而為一了。的確，配對後的 DNA 序列經 X光晶體分析是雙股螺旋狀，這在當時還是轟動世人的重要發現呢！

但那只是 DNA 做為遺傳物質時的一種經典樣貌。事實上，單股核酸在不同序列的組合下也是有千變萬化的構型。就如同人體內的 RNA 就根據不同的功能而有著不同構型，甚至也有些特殊構型具備酵素的相似功能，被稱為核酶（ribozyme）。

而不同的核酸序列能產生不同構型，這個特性是不是就跟我們熟知的蛋白質一樣呢？沒錯，蛋白質也透過不同胺基酸組合，產生許多具功能性的構型，並成為所有生物體內生化反應進行的必要推手。於是就有些人想到了，既然如此，我們何不使用核酸的這個特性發展成工具使用呢？

在 1990 年，Szostak 及 Gold 實驗團隊便分別發展出了類似的篩選技術，可在體外篩選、分離並放大特定的 RNA 序列片段。這些序列片段構型可以如探針一樣，專一性地辨識目標物。而這些具辨識能力的 RNA 片段就被 Szostak 實驗室命名為 aptamer，取自拉丁文 aptus，有適合的意思。由 Gold 實驗室提出的篩選方式則被命名為 systematic evolution of ligands by exponential enrichment，可譯為配體的指數增長系統進化技術，也就是後人泛稱的SELEX。

在兩間實驗室發現了 RNA 具備的特殊能力後不久，DNA 也被發現可做為適體的原料。在後續20多年的研究發展更證實了適體在生物檢測與醫療領域上的諸多可能性，也陸續吸引了許多實驗室繼續投入研究。

適體V.S. 抗體

說到適體能專一性辨識目標分子的能力，這聽起來是不是很熟悉？

沒錯，適體跟抗體都能經適當設計後，成為生物檢測的工具。但是抗體的發現早了適體將近百年，無數的研發成果讓抗體早已成為生物檢測市場上的老大哥了。那做為後起之秀的適體，究竟有什麼優勢之處能與抗體一較高下呢？不妨讓我們一同瞧瞧。

1. 適體對於給定的任何目標特徵都有高度的特異度與親和力，範圍從小分子到較大的蛋白質，甚至連整顆活細胞都在他的守備範圍內。使適體具有發展成廣範圍生物感測工具的潛力。而抗體只能辨識具有免疫活性的分子，泛用度上就有相當大的差距。
2. 適體被篩選出來後，其後續生產原料來自商業來源，可以固相合成技術在數小時內批量生產，並同時具有高重現度與純度。反觀一般抗體藥物需要由哺乳動物細胞培養，且從生產製造到純化需耗費數天至數月。時間成本上抗體輸了一大截。
3. 與蛋白質構成的抗體或酵素相比，DNA構成的適體具有高度化學穩定性，不易因酸鹼熱等環境因子而破壞活性。但是未經過適當化學修飾的適體在血液中將面臨核酸酶的破壞，未能如抗體一般穩定存在。
4. 適體在與目標結合後，構型會有顯著的變化。使它可以被設計成更為靈活的生物檢測器，並有高度的偵測特異度與選擇性。

既便宜又多用途，使適體成為十分有潛力的發展目標。然而適體也有其弱點：雖然有好的化學穩定性，但由於其小分子量使其生物穩定性較差。體內半衰期短限制了適體在臨床應用上的發展。且傳統的 SELEX技術無法預測適體和目標分子結合的位置，與結合後的具體作用功能。因此短時間內，適體還不能動搖已經有穩健根本的抗體檢測市場，但相信假以時日，這些技術層面的障礙也將被孜孜不倦的研發人員們突破。

適體的誕生之路—SELEX

介紹完了適體，那麼回頭來看看SELEX。究竟是經過怎樣的流程，能讓一般的核酸分子大翻身變成大家眼中生物檢測界的明日之星呢？

SELEX可大致分為三個流程：

篩選出可結合目標的配體序列：

目標會與核酸序列庫內各種隨機的單鏈核酸序列作用。藉以找出能與目標物結合的適體。在這個階段，平均可以從 10⁹ 到 10¹³ 的隨機序列中找到一條能結合上目標物。

分離出有結合到目標物的適體：

在第一個步驟後，將未結合上目標物的核酸分子分離，再將有結合的適體與目標物分離並收集起來。

放大適體數量：

收集完的那些適體分子，再進一步以聚合酶連鎖反應（PCR）的方式放大其數量。

透過重複這三個步驟的流程，並在每一次循環中，調整培養的時間、溶液的性質、目標分子的數量等方式，使篩選條件更加嚴苛。以篩選出真正具高度專一性與親和力的適體分子。

並且，做為保險機制，會在前期的某次循環中進行反向篩選，即以另一種跟目標物有相似處的不同物質進行篩選。而這次篩選出有結合的那些適體分子會被判定不及格，只留下沒結合上的適體分子。這個步驟的目的是要篩去那些雖然有親和力但是專一性不高的適體。

通過了如此層層關卡後篩出來的極少數核酸分子，才是真正符合我們要求的高品質適體。並進一步應用到生物檢測或其他用途。

適體在臨床與科學應用上有著許多抗體所沒有的優勢，雖然目前市場上適體的相關產品較為罕見，一方面因為過去SELEX的技術受到專利的保護，只有少數公司享有開發產品的權利；另一方面，適體要從實驗室跨足到商業應用也仍有許多問題需要克服。

相較已經熟為人知並有成熟體系的抗體，適體的產品仍舊較為弱勢。但期待隨著各項適體相關專利的解禁，更多的實驗室投入適體的改良與開發，未來適體能夠成為臨床與科研領域發展上的強力推手！

1. Shiping Song, Lihua Wang, Jiang Li, Chunhai Fan, Jianlong Zhao (2008). Aptamer-based biosensors. Elsevier. doi: 10.1016/j.trac.2007.12.004
2. Subash Chandra Bose Gopinath (2007). Methods developed for SELEX. Analytical and Bioanalytical Chemistry.
3. Regina Stoltenburg, Christine Reinemann, Beate Strehlitz (2007). SELEX—A (r)evolutionary method to generate high-affinity nucleic acid ligands. Elsevier. doi: 10.1016/j.bioeng.2007.06.001
4. DOIT 經濟部技術處(2017)—產業技術評析 核酸適體(Apatamer)新藥研發商機

「懷孕中的大腦」有了新的定義，研究指出男性DNA（去氧核醣核酸）–可能是懷孕時間男寶寶遺留在母體內的–能夠永遠存在母親大腦裡。雖然這個外來DNA造成的生物影響尚未明確，研究也發現大腦裡有較多的男性DNA的女性，較不易患有阿茲海默症–據研究所說，男性DNA可能降低母親患有阿茲海默症的機率。

哺乳類懷孕期間，母體與胎兒互換DNA及細胞。早先的研究指出，胎兒的細胞能遺留於母體的血管及骨骼內，長達數十年之久，研究人員稱此現象為母胎微嵌合（fetal microchimerism）。研究指出，遺留在母體內的胎兒DNA對母體或許有壞的影響也有好的影響：藉由促使組織修復及增進免疫系統，使母體健康受惠–但也可能造成負面影響，如自體免疫（autoimmune reactions）。

其中一個問題就是，遺留下來的胎兒細胞是如何影響大腦的。研究人員指出母胎微嵌合發生於鼠類大腦裡，但尚未有資料顯示母胎微嵌合發生於人體。因此，弗雷德哈欽森癌症研究中心（華盛頓州，西雅圖）的自體免疫及風濕病學家J. Lee Nelson採集了五十九位，過世時為三十九至一零一歲的女性大腦解剖樣本。藉由測試Y染色體特有的基因發現，五十九位女性中，63%大腦中有男性DNA。（研究人員並沒有她們的懷孕資料）男性DNA分布於大腦不同部位中。

因有些研究指出懷孕的次數愈多，患得阿茲海默症的機率愈高，為找出阿茲海默症的跡象，此研究團隊也檢測了大腦，進而判定阿茲海默症是否與母胎微嵌合相關。五十九位女性中，有三十三位患有阿茲海默症–但研究結果與研究團隊所預計的大為不同，患有阿茲海默症的女性，腦中的男性DNA明顯少於二十六位未患病女性腦中的男性DNA。

然而，胎兒的男性DNA是否降低女性阿茲海默症患病率仍未明確。「對我來說，這表示母體大腦中的胎兒細胞能預防疾病。」紐約西奈山醫學院心臟科醫師Hina Chaudhry說道。

去年底發表在「Circulation Research 」網站上的一項研究中，Chaudhry與同事發現在鼠體內胎兒細胞移轉到母體心臟裡，分化成能夠作用的心臟細胞且加速受損心臟組織的修復。因此，Chaudhry說道，相似的情形可會能發生胎兒細胞移轉至大腦時。「我想這些細胞移轉到母親大腦裡，且分化成神經元。」

一項2010年發表在《Stem Cells and Development》上的研究指出，胎兒細胞能移轉至母鼠大腦裡，且生成神經元，Nelson說道。但她也說道，相似的情形是否也發生於人體上，目前仍不明確–而且要確切地提出證據，證明阿茲海默症與母胎微嵌合之間的關聯十分地困難。一部分是因他們沒有這些女性的懷孕資料。「 必須說，我們真的不知道。希望這樣的研究在未來能被完成，但是以人體為樣本做研究實在是太困難了。」

資料來源：Bearing Sons Can Alter Your Mind – ScienceNow [26 SEPTEMBER 2012]