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終於有機會再站起來了嗎?最新研究發現,人工合成八醣體可修復脊髓神經元

PanSci_96
・2019/05/14 ・1494字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 597 ・九年級
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人的周圍神經系統(PNS,如:運動神經和感覺神經)在受傷之後,通常可慢慢修復。但是,中樞神經系統(CNS,如:脊髓神經)的修復則相當棘手,也是目前醫學研究尚待解決的問題。

中樞神經受損造成的傷害,包含車禍或工害造成的癱瘓。然而,一直以來都讓我們束手無策的「癱瘓」,現在有機會修復了嗎?最新跨國研究發現,人工合成的「硫酸乙醯肝素HS)」八醣體可讓受損的中樞神經元成功啟動修補機制。

修復中樞神經的關鍵

關鍵為抑制去磷酸根作用。

研究指出,當中樞神經受到重大的外力打擊時,人體會分泌「硫酸軟骨素(Chondroitin Sulfate, CS)」聚集於受傷的神經軸突(Axon),並和受體PTPRσ結合,經催化作用去除細胞質內Cortactin蛋白的磷酸根,進而導致神經軸突末端產生球狀凸起物(dystrophic endballs),遏制軸突繼續生長,終止神經修復。因此,中樞神經修復的關鍵為抑制去磷酸根作用。

洪上程博士的研究團隊繼2011年成功合成3號氧含有硫酸根之HS八醣體能抑制疱診一型病毒感染宿主細胞發表在《自然-化學》(Nature Chemistry)後 ,進一步發現HS和CS的化學結構相近,且HS的功效與硫酸根的位置和數量息息相關。

高難度醣分子的合成

圖/pixabay

研究團隊表示,醣分子的合成向來具高難度,這類結構複雜之HS寡醣分子的製備更不容易。合成不同硫酸根的HS化合物,就需要50多個步驟。

為了一探HS分子如何與受體PTPRσ作用,以及是否能修復中樞神經元受損的軸突部位,洪上程博士實驗室的蔡政芳博士和郭彥均博士歷經多年時間,開發新的合成途徑,成功地製備十六種不同硫酸根的HS八醣體分子。同樣熟稔含硫酸根之醣分子研究的日本鳥取大學田村純一教授帶領的團隊則負責合成CS化合物。

實驗結果

門松健治的研究團隊,從老鼠身上取得一種從脊椎延伸到肌肉的中樞神經元——背根神經節(dorsal root ganglion,DRG),並把切斷的DRG分別放到鋪了CS化合物和CS與HS化合物的培養皿。

研究成果顯示,實驗的第二天後,軸突碰到培養皿內的CS時,CS與PTPRσ結合,移除Cortactin蛋白的磷酸根,便停止生長。反觀,在加入具有較多硫酸根數量之HS八醣體的培養皿中,軸突則能持續生長;而沒有硫酸根或硫酸根數量少之HS八醣體族無法讓軸突繼續生長。

乙醯肝素八醣體 (HS) 與受體 PTPRσ 結合形成低聚物。圖/中研院與科技部提供
乙醯肝素八醣體 (HS) 與受體 PTPRσ 結合形成低聚物。圖/中研院與科技部提供

洪上程博士解釋,HS八醣體具有較多硫酸根數量時,能取代CS醣分子並與PTPRσ結合,並將幾個PTPRσ結合在形成低聚物(Oligomer),進而抑制Cortactin蛋白的去磷酸根化反應,讓軸突可以繼續生長。

名古屋大學醫學院坂元一真(Kazuma Sakamoto)副教授表示,研究發現提供了一個以分子修補神經元的契機,HS 或是 PTPRσ抑制劑,都可能是未來關鍵的研發目標。

  • 本文改寫自中研院與科技部新聞稿,原標題為〈中樞神經再生露曙光 人工合成八醣體可修復脊髓神經元〉。
  • 研究論文已於108年5月7日刊登於國際期刊《自然-化學生物學》(Nature Chemical Biology),論文名稱:〈Glycan sulfation patterns define autophagy flux at axon tip via PTPRσ-cortactin axis
  • 此研究由中央研究院、科技部攻頂計畫 、以及日本文部科學省和學術振興會共同資助。共同第一作者為名古屋大學醫學院坂元一真和中央研究院基因體研究中心蔡政芳博士和郭彥均博士。共同通訊作者為中央研究院基因體研究中心主任洪上程和名古屋大學醫學院院長門松健治,共同作者包括神户藥科大學副校長北川裕之、鳥取大學田村純一教授。
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地球磁場倒轉到底多快?洞穴石筍古地磁紀錄大解密
PanSci_96
・2018/08/22 ・2875字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 579 ・九年級
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  • 首圖說明:(A)利用華南石筍重建介於九萬八千到九萬六千年前的一個歷時兩千兩百年典型周氏震盪週期。地磁極從正向(現今地磁的南北方向)僅需 86-202 年之間,就快速倒轉到反向,隨後馬上反彈到中緯度區域;再歷經兩千年,才慢慢轉回高緯度的原正向位置。(B)計算出來的九萬八千年的地磁極快速倒轉飄移路徑,大約自現在磁北極的位置,向南漂移百年後,倒轉到接近南極的地點。

首次揭露地磁的「周氏震盪」以及百年倒轉事件

地球磁場阻擋著太陽風對地球的吹襲,保護地球上的生靈與萬物。根據科學研究發現,在過去一百五十年地磁場已經減少了百分之十到十五,若再持續削落,未來將有發生地磁倒轉的可能,造成磁爆,太陽風直接侵襲地球,將會對衛星通訊及自然生態,造成無法估計的損害。但地球磁場倒轉究竟會有多快?過程又是如何變化?從兩千年前人類發現地球具有磁性以來,直至今日這些問題依舊成謎。

地球磁場像一面隱形盾牌,阻擋太陽風對地球的直接侵襲。 圖/台灣大學提供

本論文的通訊作者,臺灣大學地質系沈川洲特聘教授,領導團隊測量華南地區洞穴石筍的超微量地磁訊號,並結合全球領先的精準鈾釷定年關鍵技術,成功重建解析度精準至僅幾十年,發生在十萬年前,歷時一萬六千年的珍貴地磁紀錄。

研究中最驚人的發現是,在九萬八千年前,地磁極最快可以在一百年內發生一次倒轉。

團隊同時發現,在地球磁場非常微弱的十萬年前,地磁極呈數百年到幾千年不等的特殊重現性不對稱南北飄移,稱之為周氏震盪。本研究首次揭露的周氏震盪以及百年倒轉事件,完全顛覆了過去對地球磁場的認知,是獨步全球的研究成果。這個重大發現,已在 8 月 20 日於國際頂尖期刊「美國國家科學院院刊」 《Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America》發表。

地球磁場的重要角色:保護地球生物及電子通訊

地球磁場已存在幾十億年,可將太陽風與帶電宇宙射線粒子偏轉遠離地球,像一面隱形盾牌保護大氣層免於在高速帶電粒子撞擊下而消失,同時也阻隔生物受到有害的宇宙射線影響,是維持地球生物蓬勃發展的關鍵因素。

假如將來發生了地球磁極快速倒轉的現象,磁北極先從北半球高緯度地區飄向低緯度,然後再飄往南半球高緯度地區;過程中,當磁極處於低緯度時,從太陽輻射出的高速帶電粒子流,將直接侵襲地球,破壞衛星、航空、通訊與電力系統,可能導致網路癱瘓,全球股市與金融的失序,對於現代文明,將是一大衝擊。至於候鳥、鮭魚等許多具有感應磁場能力的生物,可能會辨識錯亂,進而改變局部生態;大氣結構與水文氣候也將可能會有所改變。

突破的關鍵:帶磁的石筍與精確定年技術

研究人員進行洞穴探勘。 圖/台灣大學提供

1920 年代,科學家第一次在岩石中發現地磁倒轉事件。經過百年研究以來,大家已經都知道在過去地球歷史中,地球磁場會飄移,也會倒轉;但飄移的細微過程,以及地磁極倒轉的速度到底有多快,一直是科學界最艱鉅、難以回答的問題之一。其根本原因在於研究材料本身的限制與高解析定年的困難。

沈教授指出,火成岩、沉積岩與湖泊/海洋沉積物,是過去兩個世紀以來一直被廣泛利用來了解地磁紀錄與反轉事件時間的研究對象。火成岩具有強磁性且可以準確定年,但很難有連續紀錄。沉積岩與湖泊/海洋沉積物中含有的磁性礦物可以告訴我們連續的古地磁紀錄,但是高解析的定年則較為困難,而且沉積物總是容易被攪動混合,很難取得細緻的古地磁變化紀錄。

洞穴石筍可以被精確定年,生長時磁性礦物嵌埋在石筍中不被擾動,是提供連續原始古地磁紀錄的理想材料。雖然石筍在 1979 年第一次被用於古地磁研究,但由於石筍的成份幾乎全是碳酸鹽類,即使有磁性礦物存在,其含量還是非常少,古地磁訊號微弱,大概僅有相同體積火成岩中百萬分之一的強度,所以極難被測量。縱使重建了古地磁紀錄,解析度都很粗糙;於是往後的三十年,石筍很少再被應用於古地磁研究。

為了尋找含有足夠磁性礦物的洞穴石筍,研究團隊踏遍世界五大洲,終於在中國貴州找到。 圖/台灣大學提供

近年來,由於定年技術的躍進以及磁學儀器測量靈敏度的不斷提升,在 2012 年後,石筍又再次被應用於古地磁研究。縱使如此,但仍碰上關鍵瓶頸──含有足夠磁性礦物的石筍非常稀少,合適的研究材料猶如大海撈針,難以尋得。

沈教授表示,能夠完成不可能的任務,獲得突破性的成果,實屬不易。他自 2001 年返國服務,就有這個科學目標;在過去十幾年間,他帶領兩岸科學家,遍尋各大洲,以及中國大陸叢山峻嶺。團隊從找到具有磁性的石筍到成果發表,總共花了八年時間。

與沈教授長期合作的福建師範大學姜修洋教授,自 2010 年開始對華南貴州進行系統性調查,次年 11 月第三次探勘三星洞時,終於採到了含有磁鐵礦、長一公尺、直徑約八公分的石筍標本。

沈川洲教授與第一作者周祐民教授在野外合影。 圖/台灣大學提供

第一作者南方科技大學海洋科學與工程系周祐民助理教授,2012 臺大博士班畢業,自 2014 年起以博士後研究員身分,加入沈教授的研究室,使用臺大地質系領先世界的鈾釷定年技術,還有北京中科院的低溫超導測磁儀,進行實驗。本研究還與新竹國家同步輻射研究中心合作,利用高解析電子顯微鏡,鑑定石筍中磁性礦物。所有分析工作,前前後後共花了四年時間;最後取得 180 個古地磁資料以及 70 個定年點,成功重建了發生在十萬年前,具有史無前例的數十年精緻解析度,前後共一萬六千年的珍貴地磁紀錄。

獨步全球的研究成果:周氐震盪與百年地磁倒轉

研究發現,在十萬年前地球磁場很弱而且非常不穩定,石筍資料顯示出不斷重複發生、相似性極高的不對稱性地磁極南北飄移模式與週期。這種特殊的周氏震盪模式,地磁極首先從正向(現今地磁的南北方向)經一百到幾百年,就快速倒轉到反向,隨後馬上反彈,但並非轉回完全正向,而是先轉回到中低緯度區域,然後再歷經數百年到數千年才慢慢轉回高緯度的原正向位置。這種周氏震盪現象,其發生機制目前尚不清楚,但團隊相信應該與地球內部動力產生地球磁場的驅動作用有關。

研究中更驚人的發現是在九萬八千年前,地磁極僅需 86-202 年,即可以從正向(現今地球磁場的南北方向),快速地完全倒轉到反向。過去科學界普遍認為,磁極完全倒轉應該至少需要一千年;但此革新的研究告訴我們,磁極可能在百年內倒轉,遠比過去所估計的速度還快上 10 倍。

全文請參閱 8 月 20 日「美國國家科學院院刊」 《Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America》: August 2018, 201720404; DOI: 10.1073/pnas.1720404115. Multidecadally resolved polarity oscillations during a geomagnetic excursion

資助單位與研究團隊:

這項重大科學成果是由科技部卓越領航計畫、教育部深耕計畫、臺大前瞻領航計畫、與永續地球尖端科學研究中心共同資助,臺灣大學地質科學系沈川洲特聘教授領導完成,主要合作單位包含南方科技大學、國家同步輻射中心、福州師範大學、健行科技大學、中科院地質所與澳洲國立大學等等。

  • 本文編修自台灣大學新聞稿,原標題為〈地球磁場倒轉到底有多快?洞穴石筍古地磁紀錄大解密──臺灣大學研究團隊成果榮登《PNAS 美國國家科學院院刊》〉
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當路上的鹽流進蝌蚪的家
陳俊堯
・2015/10/21 ・671字 ・閱讀時間約 1 分鐘 ・SR值 507 ・六年級
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照片來源: Wood frog tadpole. by Brian Gratwicke.

熱死人的八月,來談涼一點的話題好了。待在美國唸書時,十月就下雪了。冬天路上被車壓融的雪會再結成冰,溜冰剛好。不過開車的人可不打算在上班的路上順便溜冰,於是政府便在路上灑鹽,降低凝固點讓水不要變成冰。這大概是很多溫帶國家都會做的事。

不過長期大量在路上灑鹽,不只對路面是個傷害,有人擔心這些鹽可能會對環境裡的其它生物造成影響。這些鹽會從柏油路兩側流進土壤,如果在道路附近有個水池,就順便給調了味了。在水裡加點鹽對煮湯來說是必要的,但是對生活在水裡的生物來說可是滲透壓大作戰,調整滲透壓可不是件簡單的事,輕則消耗大量能量,重則脫水升天。

這篇研究裡科學家決定來看看這些鹽對池塘裡的木蛙(wood frog)蝌蚪造成什麼影響。他們很意外地發現,在鹽度高的池水裡生長的蝌蚪,體型反而比較大。鹽度高的地方藻類比較多,但浮游動物變少了,顯示微生物組成受到影響,或許讓蝌蚪在食物上的選擇增加了。

體型大的蝌蚪變成體型大的小蛙,會比較容易在環境裡活下來。所以路上灑鹽反而對蝌蚪來說是好事囉? 作者接著看了這些蝌蚪變成小蛙後的存活狀況,結果發現情況剛好相反,這些小蛙的存活率反而變差,或許是因為發育過程中的影響改變了牠們各部位生長能量的分配、免疫系統或其它未知機制所致。

本文轉載自慈大生科 Sci Cafe

報導原文: Case Western Reserve University. Frogs exposed to road salt appear to benefit then suffer. Science Daily, August 17, 2015.

研究原文: Kacey et al. Legacy of road salt: Apparent positive larval effects counteracted by negative post-metamorphic effects in wood frogs. Environmental Toxicology and Chemistry, 2015; DOI: 10.1002/etc.3082

 

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陳俊堯
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慈濟大學生命科學系的教書匠。對肉眼看不見的微米世界特別有興趣,每天都在探聽細菌間的愛恨情仇。希望藉由長時間的發酵,培養出又香又醇的細菌人。

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「我的青航時代-2020航發會×暑期航空營」帶領學員踏上飛行夢
PanSci_96
・2020/08/26 ・1760字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 520 ・七年級
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你是否也曾嚮往過,親自飛向天空呢?

遨遊藍天,是許多人的兒時憧憬,卻似乎遙不可及。

這個暑假,「我的青航時代-2020航發會×暑期航空營」贊助泛科學,推出一系列關於「飛航」的生動知識,拉近你與天際的距離!

光只有這樣,這當然還不夠啦!

暑期航空營——「我的青航時代」

正在舉行中的「我的青航時代-2020航發會×暑期航空營」,帶領對航空產業有興趣的學員,從幕前、幕後解析航空的一切。

無論是航站管理、飛航管制、飛機維修、飛行員訓練、航空勤務還是國際航空產業趨勢,航空產業的一切,通通讓你在營隊中親身感受!

營隊總共有兩個梯次,第一梯次的航空營在 8 月 26、27、28 日,已於今日盛大開幕,第二梯次將於 9 月 2、3、4 日啟動。

第一梯次航空營已經啟航,開啟了學員們的築夢之旅。(圖/我的青航時代-2020航發會×暑期航空營)

兩個梯次都是 3 天的課程,學員將參訪桃園機場、中華航空公司、臺中漢翔公司、國家中山科學研究院和臺北松山機場。

此外每一天營隊都有安排有「知能、專業經驗分享、團體工作坊」三大面向的課程,在主辦單位的精心安排下,學員們也可聽取各航空專業職人的寶貴經驗,親自感受航空產業的甘苦與魅力。

短短的三天,圓滿飛行夢

第一天

學員將造訪桃園機場,學習機場航廈管理運作;接著到華航園區,由華航資深機師分享飛行員的養成,並示範講解如何操作飛行模擬機;最後請來飛航管制員,以深入淺出的方式,介紹塔臺與航空管制員工作。

第二天

營隊將移師臺中漢翔航太工業廠區參訪,了解維修工程師的日常工作,並進入難得開放讓學員參觀的國家中山科學研究院,了解臺灣國機國造的歷程。

第三天

學員將前往臺北松山機場,深入這個臺灣歷史最悠久的機場,航務,同時請來教授講解國際航太趨勢,讓同學能掌握未來的航太發展。

到了營隊最後,將依照學員的整體參與表現,由 3 位專業評審選出 20 位優秀學員,這20位學員將可赴臺東安捷飛航中心參訪,一圓可親自操控飛航模擬機、體驗飛行訓練環境的夢想。

這裡,聚集了 60 顆熱情洋溢的心

自開放報名以來,共吸引了 317 位優秀的在學青年報名,透過 3 位航空產業、學界評審的嚴謹審查下,經過了激烈的評比,最後篩選出 60 名學員。

最終名單中有不少非本科系學生,由此可知,未來有意願投入航空產業的學員們,背景愈來愈多元了。其中,多位入選的同學,都表達了他們對活動的期待。

電腦與通信工程研究所的顏同學表示:

看到校內展示的機體模型後,開啟了自己對飛機製造技術的興趣,對能參觀漢翔航空公司感到十分興奮!

家住岡山空軍基地附近的英語系陳同學也相當期待:

從小看著飛機在天空翱翔,對於機師工作十分嚮往,相信這次藉由華航專業機師親自講解,一定收獲豐碩!

過去曾參加過多個國內外飛行營隊,就讀航太相關科系,且為飛行社幹部的黃同學感嘆道:

平常帶領社員們閱讀飛行教科書,很珍惜這次能走出書本,親自到第一線體驗的機會!

為臺灣的航空業注入年輕的力量吧!

航發會主秘鄭賜榮表示,期許同學能藉由參與暑期航空營,對航空產業有更深入的了解。

臺灣位處太平洋重要交通位置,透過舉辦航空營,希望能夠為航空業的吸引更多新人才。(圖/我的青航時代-2020航發會×暑期航空營)

臺灣身處亞太地區樞紐位置,不但擁有豐富的國際航空合作經驗,同時也具備了國際級的航太製造技術,在政府持續投入發展航空產業下,協助產業引進關鍵技術,建立航空供應鏈,將技術、人才根留臺灣,臺灣航空產業需要更多元的青年新血加入。

本次獲選的 60位優秀在學學員,相信未來都會是臺灣航空產業的生力軍,也預祝他們在航空營中有滿滿的收穫!

關於航發會

財團法人中華航空事業發展基金會(簡稱航發會),以協助中華民國航空事業發展及國家重大交通建設、研究及有關活動推展為宗旨,致力於培育航空領域優秀人才、推動我國航空產業升級與國際接軌、協助有關航空事業發展等重要工作。

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