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闡釋無細胞的蛋白質合成

peregrine
・2011/03/08 ・593字 ・閱讀時間約 1 分鐘 ・SR值 602 ・九年級
相關標籤: 蛋白質 (55)

圖片引用自http://fog.ccsf.cc.ca.us/~mmalacho/Physio.html

生命的化學過程是複雜的。在信息從DNA被轉錄到信使RNA(messenger RNA),之後被轉譯來產生蛋白質的基因表現中,涉及了百餘種不同分子。透過觀察活細胞,來獲得上述過程的量表式瞭解,是種令人沮喪的挑戰。

目前,美國明尼蘇達大學(University of Minnesota)Vincent Noireaux、以色列魏茲曼科學研究所(Weizmann Institute of Science in Israel)Roy Bar-Ziv及同僚們業已使用一種無細胞的體系,來進行完整基因表現的反應,且已開發出有關此反應動態(dynamics)的簡單模型。

無細胞的蛋白質合成本身並非新鮮事,它被用來產生供研究及醫療使用的蛋白質已達15-20年。不過,商業上可資使用的代表性無細胞體系,被充分利用來迅速產生大量蛋白質,而不是重現如同發生於生物體內的反應。此些體系結合了來自不同生物(organisms)的分子,因而無法控制,諸如鈍化信使RNA及降解蛋白質等生物學上重要的反應。

僅使用來自大腸桿菌(Escherichia coli)及包括鈍化與降解的酵素分子,Noireaux及其學生Jonghyeon Shin研發了他們自己的無細胞體系。Bar-Ziv及其學生Eyal Karzbrun進行了諸多實驗,來確認每一成分濃度如何影響蛋白質的產量。他們發現,藉由探討,如被單一酵素催化的轉錄、轉譯、鈍化及降解等過程,他們能夠記述該體系的諸多主要特徵。此些研究人員的下一步驟是擴展該體系,來研究更複雜的過程,諸如若干基因相互影響表現之連鎖系統。

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原文網址:http://blogs.physicstoday.org/update/2011/01/elucidating-cell-free-protein.html

翻譯:peregrine | 本文轉載自PEREGRINE科學點滴

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快!還要更快!讓國家級地震警報更好用的「都會區強震預警精進計畫」
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/01/21 ・2584字 ・閱讀時間約 5 分鐘

本文由 交通部中央氣象署 委託,泛科學企劃執行。

  • 文/陳儀珈

從地震儀感應到地震的震動,到我們的手機響起國家級警報,大約需要多少時間?

臺灣從 1991 年開始大量增建地震測站;1999 年臺灣爆發了 921 大地震,當時的地震速報系統約在震後 102 秒完成地震定位;2014 年正式對公眾推播強震即時警報;到了 2020 年 4 月,隨著技術不斷革新,當時交通部中央氣象局地震測報中心(以下簡稱為地震中心)僅需 10 秒,就可以發出地震預警訊息!

然而,地震中心並未因此而自滿,而是持續擴建地震觀測網,開發新技術。近年來,地震中心執行前瞻基礎建設 2.0「都會區強震預警精進計畫」,預計讓臺灣的地震預警系統邁入下一個新紀元!

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連上網路吧!用建設與技術,換取獲得地震資料的時間

「都會區強震預警精進計畫」起源於「民生公共物聯網數據應用及產業開展計畫」,該計畫致力於跨部會、跨單位合作,由 11 個執行單位共同策畫,致力於優化我國環境與防災治理,並建置資料開放平台。

看到這裡,或許你還沒反應過來地震預警系統跟物聯網(Internet of Things,IoT)有什麼關係,嘿嘿,那可大有關係啦!

當我們將各種實體物品透過網路連結起來,建立彼此與裝置的通訊後,成為了所謂的物聯網。在我國的地震預警系統中,即是透過將地震儀的資料即時傳輸到聯網系統,並進行運算,實現了對地震活動的即時監測和預警。

地震中心在臺灣架設了 700 多個強震監測站,但能夠和地震中心即時連線的,只有其中 500 個,藉由這項計畫,地震中心將致力增加可連線的強震監測站數量,並優化原有強震監測站的聯網品質。

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在地震中心的評估中,可以連線的強震監測站大約可在 113 年時,從原有的 500 個增加至 600 個,並且更新現有監測站的軟體與硬體設備,藉此提升地震預警系統的效能。

由此可知,倘若地震儀沒有了聯網的功能,我們也形同完全失去了地震預警系統的一切。

把地震儀放到井下後,有什麼好處?

除了加強地震儀的聯網功能外,把地震儀「放到地下」,也是提升地震預警系統效能的關鍵做法。

為什麼要把地震儀放到地底下?用日常生活來比喻的話,就像是買屋子時,要選擇鬧中取靜的社區,才不會讓吵雜的環境影響自己在房間聆聽優美的音樂;看星星時,要選擇光害比較不嚴重的山區,才能看清楚一閃又一閃的美麗星空。

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地表有太多、太多的環境雜訊了,因此當地震儀被安裝在地表時,想要從混亂的「噪音」之中找出關鍵的地震波,就像是在搖滾演唱會裡聽電話一樣困難,無論是電腦或研究人員,都需要花費比較多的時間,才能判讀來自地震的波形。

這些環境雜訊都是從哪裡來的?基本上,只要是你想得到的人為震動,對地震儀來說,都有可能是「噪音」!

當地震儀靠近工地或馬路時,一輛輛大卡車框啷、框啷地經過測站,是噪音;大稻埕夏日節放起絢麗的煙火,隨著煙花在天空上一個一個的炸開,也是噪音;台北捷運行經軌道的摩擦與震動,那也是噪音;有好奇的路人經過測站,推了推踢了下測站時,那也是不可忽視的噪音。

因此,井下地震儀(Borehole seismometer)的主要目的,就是盡量讓地震儀「遠離塵囂」,記錄到更清楚、雜訊更少的地震波!​無論是微震、強震,還是來自遠方的地震,井下地震儀都能提供遠比地表地震儀更高品質的訊號。

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地震中心於 2008 年展開建置井下地震儀觀測站的行動,根據不同測站底下的地質條件,​將井下地震儀放置在深達 30~500 公尺的乾井深處。​除了地震儀外,站房內也會備有資料收錄器、網路傳輸設備、不斷電設備與電池,讓測站可以儲存、傳送資料。

既然井下地震儀這麼強大,為什麼無法大規模建造測站呢?簡單來說,這一切可以歸咎於技術和成本問題。

安裝井下地震儀需要鑽井,然而鑽井的深度、難度均會提高時間、技術與金錢成本,因此,即使井下地震儀的訊號再好,若非有國家建設計畫的支援,也難以大量建置。

人口聚集,震災好嚴重?建立「客製化」的地震預警系統!

臺灣人口主要聚集於西半部,然而此區的震源深度較淺,再加上密集的人口與建築,容易造成相當重大的災害。

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許多都會區的建築老舊且密集,當屋齡超過 50 歲時,它很有可能是在沒有耐震規範的背景下建造而成的的,若是超過 25 年左右的房屋,也有可能不符合最新的耐震規範,並未具備現今標準下足夠的耐震能力。 

延伸閱讀:

在地震界有句名言「地震不會殺人,但建築物會」,因此,若建築物的結構不符合地震規範,地震發生時,在同一面積下越密集的老屋,有可能造成越多的傷亡。

因此,對於發生在都會區的直下型地震,預警時間的要求更高,需求也更迫切。

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地震中心著手於人口密集之都會區開發「客製化」的強震預警系統,目標針對都會區直下型淺層地震,可以在「震後 7 秒內」發布地震警報,將地震預警盲區縮小為 25 公里。

111 年起,地震中心已先後完成大臺北地區、桃園市客製化作業模組,並開始上線測試,當前正致力於臺南市的模組,未來的目標為高雄市與臺中市。

永不停歇的防災宣導行動、地震預警技術研發

地震預警系統僅能在地震來臨時警示民眾避難,無法主動保護民眾的生命安全,若人民沒有搭配正確的防震防災觀念,即使地震警報再快,也無法達到有效的防災效果。

因此除了不斷革新地震預警系統的技術,地震中心也積極投入於地震的宣導活動和教育管道,經營 Facebook 粉絲專頁「報地震 – 中央氣象署」、跨部會舉辦《地震島大冒險》特展、《震守家園 — 民生公共物聯網主題展》,讓民眾了解正確的避難行為與應變作為,充分發揮地震警報的效果。

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此外,雖然地震中心預計於 114 年將都會區的預警費時縮減為 7 秒,研發新技術的腳步不會停止;未來,他們將應用 AI 技術,持續強化地震預警系統的效能,降低地震對臺灣人民的威脅程度,保障你我生命財產安全。

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破解猴痘病毒感染機制及風險,天花疫苗也可以抵禦!
研之有物│中央研究院_96
・2023/04/11 ・5505字 ・閱讀時間約 11 分鐘

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本文轉載自中央研究院「研之有物」,為「中研院廣告」

  • 採訪撰文/林承勳
  • 責任編輯/簡克志
  • 美術設計/蔡宛潔

又一「國際關注公共衛生緊急事件」

2022 年的猴痘病毒大概是除了新型冠狀病毒以外,最被社會關注的病毒之一,在這波的全球感染趨勢下,臺灣疾病管制署 2022 年 10 月 9 日公布,國內出現第 4 例猴痘境外移入確定病例。我們該繼續擔心猴痘病毒嗎?中央研究院研之有物團隊專訪院內分子生物研究所張雯研究員,請她解析痘病毒進入宿主細胞的機制,以及猴痘病毒的感染風險。

2022 年的猴痘疫情是繼 2020 年新冠肺炎疫情之後的「國際關注公共衛生緊急事件」。圖/iStock

根據世界衛生組織(World Health Organization, WHO)統計,自 2022 年 5 月英國出現首例猴痘(Monkeypox,或稱 Mpox)個案之後,迄 10 月為止,全球已通報超過 7 萬確診病例​​。[註1]

WHO 也在 7 月 23 日正式宣布,猴痘是繼 2020 年新冠肺炎疫情之後,又一「國際關注公共衛生緊急事件」(Public Health Emergency of International Concern,PHEIC),呼籲各國應該對此波病毒傳染加以重視。

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猴痘病毒是什麼?這類型的痘病毒如何感染人類?讓我們接著看下去吧!

  • 註1:為避免汙名化,2022 年 11 月 WHO 開始鼓勵使用「Mpox」作為「Monkeypox」的同義詞。

自 2022 年起,全球頻繁出現人傳人

猴痘病毒在分類學上,屬於痘病毒科 (Poxviridae),正痘病毒屬(Orthopoxvirus)。該病毒於 1958 年首次從實驗用猴的皮膚病灶中被分離,故命名為「猴痘」病毒。雖然它可以感染猴子,但是寄主範圍廣泛,尚包括齧齒動物如甘比亞袋鼠與其他靈長類動物。

猴痘病毒的真正野外宿主尚未有定論,可能為小型哺乳類。猴痘病毒透過這些中間宿主傳播給人類,屬於人畜共通傳染病。

病毒由野生動物傳播給人類的方式,通常透過直接接觸,像是碰觸到受病毒感染動物的血液、體液或黏膜;食用受感染動物也有感染風險。

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在過去,猴痘的傳播幾乎都侷限在非洲大陸,直到 2003 年美國爆出 40~50 例之感染案例。經追查後發現,感染源頭為走私進口之非洲寵物鼠,將病毒傳染給當地土撥鼠及人類。值得一提的是,此次感染人類之猴痘病毒株毒性較弱,無人死亡,整個疫情在半年內就平息了,而且鮮少出現人傳人的案例。

在非洲流行的猴痘病毒可分為中非和西非兩個分支,中非分支比西非分支病毒更容易傳播,且致死率更高,可達 10%。然而,因為疫情僅限於非洲,即使致死率高也鮮少受到國際關注。

自 2022 年 5 月以來,造成全球頻繁出現人傳人的猴痘病毒,經定序確認屬於西非分支,致死率約為 1%。此次疫情人與人之間的傳播多半是經由密切接觸,像是身體接觸時沾染到感染者分泌物、黏膜,或是皮膚水泡破裂流出的體液等等。另外也有機會經由口鼻噴出的飛沫,或是日常用品如衣物表面傳播病毒。

傳統上,感染猴痘後會出現發燒、畏寒、頭痛、淋巴腺腫大等典型症狀,並在發病後起疹子,自患部蔓延至身體其他部位,繼而發展成水泡、膿疱等。

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不過,美國疾病管制與預防中心指出,2022 年疫情的病患多半由於性接觸造成傳染,因此出現較不典型的症狀,像是疹子最早出現在生殖器或肛門周圍,且不一定會擴散至身體其他部位,發燒等症狀也比較不明顯,因此不易辨別、常常誤診成其他傳染病。目前臺灣衛生福利部疾病管制署,已把猴痘列為第二類法定傳染病,不敢輕忽大意。

感染猴痘的可能症狀。圖/研之有物(資料來源|iStock

天花疫苗也可以抵禦猴痘

說到猴痘病毒,便不得不提到同樣是正痘病毒屬,且惡名昭彰的近親:天花病毒(Variola Virus)。感染天花病毒產生的症狀跟猴痘類似,但更為嚴重。歷史上幾次天花大流行,至少帶走三億人的性命。不過在十八世紀,愛德華,金納(Edward Jenner)醫師倡導以牛痘病毒(Vaccinia Virus)製成的天花疫苗,已經於二十世紀成功的將天花病毒趕盡殺絕,目前僅有美、俄兩國的中央疾管機構仍保存些許天花病毒。

天花疫情之所以能被完全清除於人類社會,一個很重要的原因是因為其沒有人類以外的其他宿主。

天花病毒只會在人類之間散佈;當疫苗逐漸普及,民眾逐漸獲得抵抗力之後,天花病毒就無法生存。至於近期快速散播的猴痘病毒則不同,由於寄主範圍較廣,可感染多種野生嚙齒及靈長類等動物,導致猴痘病毒較不易完全根除。

針對此一波猴痘疫情,張雯指出,雖然病毒基因組上已經出現多個鹼基的變異,但不必然產生功能性影響。此外,因為痘病毒表面有多種相似度高之抗原,接種天花疫苗產生之免疫細胞仍具有可辨認猴痘病毒之能力,產生具有中和活性之抗體來保護個體。目前的第三代天花疫苗對猴痘仍具有相當的防禦能力,民眾毋需過於恐慌。

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為什麼用牛痘病毒製作的天花疫苗可以抵禦猴痘病毒?

原因在於牛痘、猴痘與天花病毒親緣關係接近,不僅病毒表面有同源性高的蛋白質用以進入寄主細胞,三者入侵細胞的機制也類似。長期研究牛痘病毒進入細胞機制的張雯認為,目前的研究成果可以協助科學家了解猴痘病毒的生活史。

關鍵在於表面鞘膜蛋白

對於痘病毒進入細胞的機制,以牛痘病毒當作模式物種研究的張雯指出,有感染力的痘病毒具有兩種形式,成熟病毒(Mature Virus,MV)及細胞外病毒(Extracellular Virus,EV)。兩者均帶鞘膜,但 95% 以上細胞內產生的病毒為成熟病毒。

成熟病毒藉由鞘膜上的四種鞘膜蛋白質,分別是:H3、D8、A26 及 A27,以附著在細胞表面的醣胺聚醣(Glycosaminoglycans)。接著病毒會聚集於細胞表面脂質筏(Lipid rafts)與細胞受體蛋白質 Intergrin β1 以及 CD98 結合,誘導宿主細胞內的訊息活化,產生細胞肌動蛋白質的聚合作用(Actin polymerization),促成液飲作用 ( Fluid phase endocytosis ) 將病毒吞入細胞內。

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牛痘病毒有兩種感染顆粒,一種是成熟病毒(Mature Virus,MV),數量佔 95% 以上;另一種是細胞外病毒(Extracellular Virus,EV),數量只佔 5% 以下。圖/研之有物(資料來源|張雯)
牛痘病毒的成熟病毒顆粒進入宿主細胞的機制。
圖/研之有物(資料來源|張雯)

牛痘成熟病毒被液飲作用產生的囊泡所包裹進入細胞質,接下來囊泡內環境會逐漸酸化,而酸性會誘導病毒鞘膜蛋白質 A26 結構改變,使得病毒融合蛋白質活化,促使病毒鞘膜與囊泡膜融合,脫去鞘膜的病毒內核進入細胞質內,開始新一波的基因複製及病毒組裝。

大部分 DNA 病毒是進入到細胞核,因為合成 DNA 所需之核苷酸原料在宿主的細胞核裡面;但痘病毒卻不是,反而在細胞質裡進行它的生活史。

張雯指出,痘病毒具它自身專用之 RNA 及 DNA 聚合酶,連基因轉錄及基因複製的過程都不假手宿主細胞之聚合酶。

牛痘病毒的感染顆粒進入宿主細胞的動態影像,紅色為成熟病毒顆粒(MV)、綠色為細胞外病毒顆粒(EV)。註:可開啟「循環播放」功能方便觀看。資料來源/張雯

從單層到雙層膜

牛痘病毒進到宿主細胞後,早期反應基因(Early gene)會立刻開始表現,產生早期病毒蛋白質,包括中期轉錄因子和 DNA 聚合酶以 DNA 複製;病毒會接續產生其他中後期的蛋白質,並且修飾內質網,把遺傳物質與蛋白質組裝成新的成熟病毒顆粒,完成牛痘病毒的生活史。

細胞產生之 MV 是非常穩定的病毒狀態,製造出來後會留在細胞質內,待細胞死亡破裂才會釋出。然而,少部分的 MV 會被運輸到寄主細胞的高基氏體進行「加工」,多包兩層高基氏體的膜,形成三層膜的病毒顆粒(Wrapped Virus,WV),並藉著細胞的微管移動到細胞邊緣。

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接著,三層膜的 WV 病毒會透過「內向外」的細胞膜融合,脫去最外層的膜,剩下兩層膜之 EV 便裸露在寄主細胞膜的「外面」,伺機尋找下一個細胞。EV 與 MV 不同,在環境中極不穩定,也因其鞘膜特性的不同,兩層膜的 EV 較脆弱,一旦附著在細胞表面後,其第一層外膜產生撕裂,露出第二層膜,不需經由胞飲過程及酸性環境的催化,此時 EV 可以直接與細胞表面之細胞膜進行膜融合,完成感染過程。

A26 蛋白質影響感染途徑

「成熟病毒 MV 藉胞飲作用後的酸性環境觸發病毒膜與囊泡膜融合,跟 EV 病毒在中性條件下直接與細胞膜融合,這兩種模式最大的差異,就取決於病毒表面是否有 A26 鞘膜蛋白質。」

張雯指出,A26 的作用就是抑制病毒膜融合的進行,而 A26 鞘膜蛋白質只存在 MV 表面,卻不在 EV 表面。A26 蛋白質組裝在病毒顆粒上,抑制膜融合,以維持 MV 病毒的穩定。 直到病毒感染細胞後,它的抑制功能會在囊泡形成的酸性環境下被解除,膜融合才得以順利進行,將病毒內核送入細胞質中。

不只是牛痘,天花跟 2022 年流行的猴痘病毒表面都有 A26 鞘膜蛋白,藉由解開鞘膜蛋白質如何調控病毒入侵細胞的機制,或許可以在未來變成圍堵猴痘病毒的籌碼。

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表面抗原蛋白多,不必擔心免疫逃脫

目前已報導的猴痘病毒有多達 50 處基因突變,而突變帶來的效果還有待進一步研究,但張雯卻不那麼擔心會有免疫逃脫的狀況出現。張雯指出,已經有實驗證明天花疫苗可以預防猴痘病毒,不論是先前提到一層膜或兩層膜的痘病毒狀態,被疫苗激活的人體免疫細胞都有能力辨認。

「新冠肺炎只有一個棘蛋白當作抗原,要是一出現突變就很麻煩;但猴痘病毒不一樣。」張雯解釋說,猴痘病毒表面的鞘膜蛋白例如 H3、D8、A27、L1 及 B5 都具有多樣的抗原區域,可刺激強大的免疫反應,產生各式各樣中和抗體。當中和抗體辨認的病毒抗原目標大且多時,病毒就很容易被發現、殲滅,即使少許突變也無法讓病毒逃脫其餘中和抗體的辨識。

因此,張雯表示,對付猴痘病毒用現有的第三代天花疫苗就夠了!「其實不論哪一代天花疫苗,刺激免疫力的能力都夠好,差別主要在於疫苗本身的安全性。」張雯強調,因為天花在 1980 以後就已經滅絕,沒有必要實施接種。各國現有的天花疫苗庫存是為了少數高危險群工作者之防護,或是防範天花病毒作為生化武器之用途,存量不夠多,短時間內無法供應大量民眾施打,所以猴痘疫情才會在爆發初期就引起恐慌。

如今猴痘病毒在特定群體中傳播只是暫時的表象,張雯指出,猴痘病毒傳播主要是靠接觸傳染,而且無關性別、性傾向或是否有發生性關係,只要有近距離的「肢體接觸」或污染物接觸都有可能沾到病毒而感染。各國有關當局應盡快鎖定確診個案的接觸者,以及接觸者的親朋好友們,讓他們優先施打疫苗,並追蹤成效。動作越快就越能有效圍堵疫情。

張雯解釋,新冠病毒僅有一個棘蛋白當作抗原,而猴痘病毒表面鞘膜蛋白有 H3、D8、A27、L1 及 B5 等多個蛋白質,可以提供中和抗體諸多可以辨認的抗原區域。圖/研之有物

阻斷病毒進入本土生態鏈是當務之急

過去各國科學家花費許多心思研究天花病毒,讓 WHO 存有足夠的天花相關資料,一舉成功用疫苗滅絕天花病毒。這也是至今人類醫療史上唯一成功滅絕病毒的案例。以此為基礎,想要防治相近的猴痘病毒並非難事。張雯也不認為短期內猴痘疫情會一發不可收拾。

回顧 2022 年,有很多個案是因從事性行為產生的密切接觸而被傳染,「當然固定性伴侶是可以減少病毒傳播的機會」張雯說。然而,過度簡化個案特徵與傳染途徑,再加上現任 WHO 秘書長譚德賽的發言,以及媒體大肆渲染下,容易誤導民眾以為猴痘是只會在男同性戀間傳播的性病。

「就跟當初 1980 年代的愛滋病一樣,一開始社會大眾以為只有同性戀社群才會被感染;猴痘也要多注意,不然也會污名化少數社群,帶給他們很大的傷害。」張雯再次強調,猴痘病毒會在人類全身流竄,不只侷限於性器官。

想要知道猴痘病毒在全球感染趨勢,張雯建議臺灣民眾可以追蹤有公信力的媒體跟網站,如 WHO 網站;由於美國猴痘病例約佔全球病例之半,美國疾病管制與預防中心也時常更新相關資訊。而臺灣目前只有 4 例境外移入,且都被快速攔截,應該還沒機會讓病毒散佈到其他人或動物身上造成本土感染,故暫時不用恐慌。

不過,由於猴痘病毒還會感染人以外的動物,為了預防未來出現本土感染,當前之務即是要注意並阻斷外來病毒進入當地寄主生物之生態鏈中。

延伸閱讀

  1. Ahmed, S. F., Sohail, M. S., Quadeer, A. A., & McKay, M. R. (2022). Vaccinia-virus-based vaccines are expected to elicit highly cross-reactive immunity to the 2022 Monkeypox virusViruses, 14(9), 1960. 
  2. Alakunle, E. F., & Okeke, M. I. (2022). Monkeypox virus: A neglected zoonotic pathogen spreads globallyNature Reviews Microbiology, 20(9), 507–508.
  3. Isidro, J., Borges, V., Pinto, M., Sobral, D., Santos, J. D., Nunes, A., . . . Gomes, J. P. (2022). Phylogenomic characterization and signs of microevolution in the 2022 multi-country outbreak of Monkeypox virusNature Medicine, 28(8), 1569-1572.
  4. Tomori, O., & Ogoina, D. (2022). Monkeypox: The consequences of neglecting a disease, anywhereScience, 377(6612), 1261–1263. 
  5. World Health Organization. (n.d.). Monkeypox. World Health Organization. Retrieved December 28, 2022, from https://www.who.int/news-room/fact-sheets/detail/monkeypox
  6. Fenner, F. (1993). Smallpox: Emergence, Global Spread, and Eradication.History and Philosophy of the Life Sciences, 15(3), 397–420. 
  7. Foster, S. O., Brink, E. W., Hutchins, D. L., Pifer, J. M., Lourie, B., Moser, C. R., . . . Foege, W. H. (1972). Human monkeypoxBulletin of the World Health Organization, 46(5), 569–576.
研之有物│中央研究院_96
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研之有物,取諧音自「言之有物」,出處為《周易·家人》:「君子以言有物而行有恆」。探索具體研究案例、直擊研究員生活,成為串聯您與中研院的橋梁,通往博大精深的知識世界。 網頁:研之有物 臉書:研之有物@Facebook

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阿 Q 的彈跳甲魚湯為什麼會凝固?膠原蛋白吃了可以美容嗎?
Evelyn 食品技師_96
・2023/03/01 ・3013字 ・閱讀時間約 6 分鐘

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彈跳甲魚湯。圖 / YouTube

阿 Q 為了救回被黑暗料理界綁架的父親,與小當家一行人前往樓麟艦,接受黑暗料理界所下的戰帖,展開四回合的宴席料理戰。第一回合的對決主題是「湯」,自告奮勇擔任先鋒的阿 Q,以「彈跳甲魚湯」這道料理,漂亮地戰勝錦毛虎駱可的頂級雞湯。

彈跳甲魚湯因為凝固成魚凍不會灑出來,評審們紛紛驚嘆這是需要嚼的湯?為什麼會變成這樣呢[1]

彈跳甲魚湯。圖 / YouTube

甲魚即是鱉,在亞洲經濟、營養價值皆高

甲魚其實就是鱉,又名圓魚、團魚或王八,是一種高經濟價值的水產養殖物種,其肉、 血、膽、脂肪,甚至是甲殼皆可以被利用。

中華鱉(Pelodiscus sinensisTrionyx sinensis)目前是亞洲最普遍的品種,主要分布於中國大陸,其次為日本、臺灣、韓國、馬來西亞和泰國等,估計阿 Q 就是拿中華鱉去料理的。

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鱉在部分亞洲國家已經有很長的食用歷史,大多是當作食物或傳統藥材使用,中國明朝《本草綱目》中記載「鱉甲乃厥陰肝經血分之藥,肝主血也。試常思之,龜鱉之屬,功各有所主。鱉色青入肝,故所主者,瘧勞寒熱,痃瘕驚癇,經水癰腫陰瘡,緣厥陰血分之病也。」,說明鱉具有滋陰潛陽、清熱消淤等多種漢方保健效果。

當然,鱉肉營養價值的確很高,其肉質細嫩、味道鮮美、營養豐富,是蛋白質、膠原蛋白和礦物質良好的來源。成分包含 20 種必需胺基酸、EPA、DHA 和其它不飽和脂肪酸,豐富的微量元素包含鋅、錳、鐵、銅、鈣、磷、維生素 A、B1、B2 及 D 等[2]

中華鱉(Pelodiscus sinensisTrionyx sinensis)目前是亞洲最普遍的品種。圖 / 參考資料 2

凝膠性是蛋白質重要的功能特性之一

這就不得不說明,蛋白質的功能特性。

蛋白質是細胞重要的組成分,人類從食物中攝取蛋白質,不外乎就是為了補充營養上所需的必需胺基酸。

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但是蛋白質在食品的應用上,具有一些功能特性,例如凝膠性(gelation)、黏彈性(viscoelasticity)、乳化性(emulsification)或起泡性(foaming)等,這些特性在生活中隨處可見,舉例來說:

做麵包時,將麵粉(小麥蛋白)加水攪打成具有彈性的麵團,就是黏彈性;製作蛋黃醬時,將蛋黃跟醋酸、沙拉油這兩樣油水不溶的材料均勻混合在一起,就是乳化性;做蛋糕時,將蛋白打發成乾性發泡的蛋白霜,就是起泡性。

而彈跳甲魚湯所牽涉到的蛋白質功能特性,就是凝膠性。

蛋白質凝膠,是變性的蛋白質分子在一些作用力包括氫鍵、疏水交互作用或靜電斥力交互作用等影響下,蛋白質分子互相聚集、吸引或排斥達成平衡,以至於形成能保持大量水分的高度有序之三度網狀結構,是一個動態的過程[3]

彈跳甲魚湯會凝膠是因為明膠

鱉所富含的「膠原蛋白」是彈跳甲魚湯「凝膠」的關鍵,鱉肉經過長時間的熬煮,膠原蛋白轉變成「明膠」,靜置冷卻後便凝固成果凍狀,是一種肉凍料理[4],像豬肉凍、水晶肴肉都是類似的料理。

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P.S. 鱉的脂肪也有可能影響到這道料理的形成,但並非主因,本文為避免複雜,就不再探討脂肪的食品化學。

明膠(gelatin)為膠原蛋白(collagen)熱變性後的產物,大量存在脊椎動物中,動物性蛋白質約有 30% 是由膠原蛋白構成,含量會隨著年紀及季節的不同而改變,存在腱、皮膚、骨、血管、結締組織等[5]

膠原蛋白係由三條多胜肽鏈 (polypeptide chain) 相互纏繞而成的三股螺旋結構,多胜肽鏈上以甘胺酸(glycine, Gly)為最豐富的胺基酸,約佔 33%,其次為 13% 羥脯胺酸(hydroxproline, Hyp)、 12% 脯胺酸(proline, Pro)、11% 丙胺酸(alanine, Ala),以及稀有之 1% 羥離胺酸(hydrolysine,Hyl)等[4]

這三條多胜肽鏈相互以氫鍵緊密纏繞連結,如同堅韌的繩索一般,所以肉的膠原蛋白含量愈多時,肉質就較硬。不過當以攝氏 40 度以上加熱時,膠原蛋白分子間的氫鍵被打斷,破壞三股螺旋結構,即轉化為水溶性之明膠[5]

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而明膠冷卻後,分子間再度以氫鍵鍵結而「凝膠」形成果凍狀,這個凝膠只要再加熱破壞分子間氫鍵,又會恢復成流動狀,是熱可逆反應。

膠原蛋白結構,具伸張性,由三條聚肽鏈間以氫鍵緊密結合而互相纏繞,每條聚肽鏈又扭曲呈左旋鏈。圖 / 參考資料 6

吃膠原蛋白不能補膠原蛋白?

膠原蛋白是維持人體肌膚彈性的要素之一,隨著年紀增長,皮膚真皮層的膠原蛋白含量減少,令愛美女性在意的皺紋就會出現。

那喝彈跳甲魚湯,或是香甜滑溜的銀耳湯,可以幫助我們補充膠原蛋白嗎?

事實上,膠原蛋白本來就是人體可自行合成的物質,以不同的形式存在於皮膚、骨骼、軟骨、韌帶、肌腱、血管壁和結締組織等部位,並不需要額外補充。

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不管是從食物攝取,或是吃膠原蛋白補充品,一樣都會經過人體消化作用,變成小分子的胺基酸,未必能在體內重新合成膠原蛋白[7]

且豬腳、雞爪要是吃過量,反而容易攝取到過多的油脂與熱量,不但沒達到美容效果,還導致肥胖。

銀耳是植物,植物不含膠原蛋白

另外,許多女性喜愛的銀耳湯,其實是不含膠原蛋白的。

許多人以為,滑溜溜的銀耳含大量的膠原蛋白,事實上,膠原蛋白多存在於動物中,植物不含膠原蛋白。銀耳屬於蔬菜類中的菇類,那滑溜的口感是來自於「多醣體」。

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銀耳含有豐富的多醣體,屬於水溶性纖維,能吸收水分、增加飽足感、延緩血糖上升,同時也是腸道好菌的食物來源。

銀耳滑溜的口感是來自於「多醣體」,而非膠原蛋白。圖/維基百科

只要均衡飲食、適量攝取蛋白質、少吃高油炸食物、補充維生素 C 或維生素 E 等抗氧化物質,並且生活作息正常,就能減少體內膠原蛋白的流失,達到維持肌膚彈性的目的[8]

參考資料

  1. Muse木棉花,2021。中華一番(舊版小當家) 第36話【阿Q特製!冷卻煮凝湯】
  2. 陳思宇,2008。甲魚 (中華鱉) 蛋理化特性之探討。輔仁大學食品科學系碩士論文。新北。
  3. 劉展冏、韓建國、劉冠汝、李嘉展、虞積凱、孫芳明、蘇敏昇、馮惠萍、謝秋蘭、饒家麟、梁弘人、林聖敦、江伯源、李政達、盧更煌、周志輝,2020。最新食品化學(最新修訂版)。於陳建元修編,顏國欽總校閱。臺中市:華格那出版有限公司。
  4. 唐嘉憶,2006。明膠作為配料利用添加於肉凍製品之研究。國立屏東科技大學食品科學系碩士學位論文。屏東。
  5. 黃鈺茹、蕭泉源,2011。不同水生生物來源所得之膠原蛋白物理與生物化學相關特性。海大漁推 41,17-52。
  6. Woodhead-Gallowy J. 1980. Collagen: the Anatomy of a Protein. Journal of Anatomy 132: 3 433-437.
  7. 衛生福利部食品藥物管理署,2015。市面上有許多含膠原蛋白的保養品,請問真的能有效維持肌膚彈性嗎?。食藥闢謠專區。
  8. 衛生福利部食品藥物管理署,2022。滑溜溜的銀耳湯,真的能補到妳的膠原蛋白嗎?。藥物食品安全週報 876:7

Evelyn 食品技師_96
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一名食品技師兼食品生技研發工程師,個性鬼靈精怪,對嗅覺與味覺特別敏銳,經訓練後居然成為專業品評員(專業吃貨)?!因為對食品科學充滿熱忱,希望能貢獻微薄之力寫些文章,傳達食品科學的正確知識給大家!商業合作請洽:10632015@email.ntou.edu.tw