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尋找葉綠體內存在億萬年的蛋白質橋樑,解開光合作用之謎

研之有物│中央研究院_96
・2019/05/26 ・4734字 ・閱讀時間約 9 分鐘 ・SR值 486 ・五年級

本文轉載自中央研究院研之有物,泛科學為宣傳推廣執行單位

  • 採訪編輯|歐宇甜、美術編輯|林洵安

葉綠體的蛋白質橋樑

大家都知道光合作用是在葉綠體進行,但葉綠體有賴細胞輸入「蛋白質工人」才能正常運作。中研院分子生物研究所特聘研究員李秀敏與其團隊,花了七年的時間,找到能讓蛋白質穿越葉綠體外圍雙層膜的橋樑 TIC236,解開葉綠體運作的大謎團,更發現這套運輸系統從遠古細菌一直沿用到高等植物,是植物演化學的重大突破,論文於 2018 年 12 月登上《自然》 (Nature),並獲專文推薦。

踏入李秀敏的實驗室,窗邊桌面是綠意盎然的植物,牆上貼著玉米品種演化和花草彩繪海報,拍照時,研究人員搬來幾株植物一同入鏡,這間研究室與植物很親密!問起為何投入葉綠體的研究?李秀敏想了想:「嗯,還真有點故事呢!」

李秀敏與她的研究團隊,由左到右為朱瓊枝、李秀敏、陳麗貞、陳奕霖。他們手上拿的就是本次研究的主角:阿拉伯芥和豌豆。
攝影│林洵安

從小會幫植物取名字的小孩……長大唸了動物系?

她從小住在臺中眷村,孰悉巷弄裡的每一株植物,還會幫它們取名字。高中時成績很好,卻不想唸醫科,填志願時按照分數將臺大動物系填前面、植物系放後面。她笑著說:「小時候不知天高地厚,認為植物可以自己唸,動物比較不喜歡,請老師教,這樣就兩門都會。」

結果,唸動物系第一年,她就發現不對勁!解剖青蛙時,她覺得有些蛙骨沒用就扔了,沒想到每個骨頭都有名字;其他對動物有興趣的同學,對蛙骨卻如數家珍。雖然成績是班上第一,但她唸得很痛苦。

直到大二開始上普通植物學這門課,當課本發下……

我就有回到家的感覺,我有興趣的東西都在裡面!

李秀敏決定轉系,將動物系的課全退掉,選修植物系的課。她跑去找動物系主任簽名,主任皺著眉頭說:「你要簽切結書,如果沒法順利畢業,要自己負責!」

她又跑去找植物系的教授加選課程,教授也十分驚訝:「從來沒人從動物系轉到植物系,你確定嗎?」期末成績出爐,她得到最高分,終於在大三時,如願轉入植物系。

後來赴美留學,一開始她也不是研究植物,而是挑了酵母菌、藍綠菌和動物細胞的三個實驗室輪流實習,但內心始終無法滿足。

她回憶:「某天我在想,如果要花生命中最精華的四、五年寫一本博士論文,我會做酵母菌或動物嗎?不可能!一定是做植物。」後來,研究藍綠菌的老師建議她去一間研究葉綠體的實驗室,她的博士論文就在那間實驗室完成。

從此,她的人生就跟「葉綠體蛋白質運輸」這個題目,結下不解之緣。

葉綠體除了行光合作用,還有其他工作

說到葉綠體,李秀敏就像聊起老朋友般熱絡:「一般人對葉綠體的印象只是行光合作用,其實它還有許多功能,身世也很有趣。」

遠古時期,有顆單細胞動物吞下了藍綠菌,藍綠菌變成細胞內的葉綠體,從此演化出植物這個大家族。植物細胞更將細胞質的許多功能轉交給葉綠體執行。

李秀敏說,如果把植物細胞看成一座城市,細胞內的葉綠體就像是一間間「城市農園」,除了行光合作用製造養分,還要負責製造必需胺基酸、脂肪酸和荷爾蒙等物質。

農園,當然需要工人囉!「葉綠體農園」在運作時,需要許多具有特殊功能的蛋白質,但這些「蛋白質工人」,大部分都是由植物細胞的細胞核下令、在細胞質製造完成後,才送入葉綠體工作。

問題來了!葉綠體外表有外膜和內膜,就像兩道城牆,中間還隔著一道膜間隙,就像護城河。那麼,蛋白質工人到底是如何順利的進入葉綠體的呢?這就是「葉綠體蛋白質運輸」的謎題,困擾了科學家數十年。

葉綠體有外膜和內膜,就像內外兩道城牆,中間隔了膜間隙,就像城牆之間的護城河。過去科學家已經找到蛋白質進入外膜與內膜的轉運蛋白 (內外城門),並推測兩道城門應該有一座橋連接,讓蛋白質能順利跨越膜間隙 (護城河)。李秀敏團隊的貢獻就是找到這座橋:TIC236!
圖片來源│中研院秘書處 圖說設計│陳昶宏

繞了一圈,回到最愛!

雖然她覺得葉綠體研究很有趣,但博士後為了拓展視野,她又拐了一個大彎,找了一個當紅的、研究植物光反應的實驗室。後來,她因緣際會飛去德國一個實驗室做研究,不料剛下飛機的第二天,騎腳踏車時摔斷了手!

她在醫院收到美國研究室傳來的植物光反應的實驗結果,心情很沮喪、根本不想看,就將紙翻面,沙沙沙寫下博士班沒完成的葉綠體題目……。

「又來了!你又忘記該追求自己的興趣。」她立刻寫信給博士後的老闆,放棄那個當紅的題目,回去研究最愛的葉綠體,從此再也不動搖。

「我現在常跟學生講,一定要追求自己的興趣,這樣才不會覺得累,可以一直做、一直做。」李秀敏微笑總結。

藏在葉綠體內外膜的謎團

回到這次的研究,李秀敏發現的葉綠體蛋白質橋樑,為什麼引起學界震撼?

早期研究已經知道,要進入葉綠體的蛋白質會攜帶一段特殊信號,就像帶了「識別證」,內外膜上有轉運機組,就像膜上的城門,能夠辨識信號並讓蛋白質通過。歷經二十多年研究,科學家已陸續發現轉運機組的成員,並將外膜的轉運機組稱為 TOC ,內膜的轉運機組稱為 TIC。

但近年來,科學家陷入瓶頸:他們發現蛋白質會同時穿越葉綠體的內外膜,可是中間隔著寬闊的膜間隙 (護城河),蛋白質是怎麼穿越的?所以 TOC 和 TIC 這兩道「城門」之間,應該有一座「橋」相連,實驗上也支持這個看法。

怎麼證實的?科學家從豌豆苗分離出葉綠體,利用和膜上機組成員對應的抗體,將膜上的機組成員拉下來,看看能不能把內外膜機組成員一起拉下來。李秀敏解釋:「用抗體從外膜拉,TOC 和 TIC 會一起被拉下來,用抗體從內膜拉,兩者也一起被拉下來,所以知道彼此間一定有一座橋相連。」然而科學家始終找不到那座「橋」。

於是全世界有十幾個實驗室都嘗試想找到這座橋,李秀敏的實驗室則在 2018 年宣告破解這座神祕的橋樑:TIC236。

過去科學家已經找到內、外膜上的轉運機組的許多成員,實驗上也證實兩機組應該是相連,然而科學家始終找不到那座「橋」。
資料來源│李秀敏 圖片重製│林洵安

好運,是留給準備好的人

為什麼大家一直找不到,李秀敏的團隊卻能?因為他們突破了過去實驗的思考框架:不從葉綠體下手,而是研究白色體

白色體和葉綠體,都是由植物細胞的色質體分化而來,所以結構很相似,只是在葉子為了行光合作用,變成含有葉綠素的葉綠體,在根部不行光合作用,變成不含葉綠素、無色的白色體,用來儲存養分。

豌豆葉片上的葉綠體與根部的白色體,兩者都是植物的色質體分化而來,所以結構很相似,一樣都具有內外膜的橋樑:TIC236。
圖片重製│林洵安

過去科學家用葉綠體做實驗,分析葉綠體內成分。但葉綠體有許多跟光合作用有關的蛋白質,用質譜儀分析時,它們的量很大、訊號強,TIC236 因為很容易被水解、訊號弱,會被掩蓋。但李秀敏用白色體做實驗,沒有上面說的大量葉綠體的蛋白質干擾,TIC236 才有機會現身。

妙的是,當初李秀敏和團隊一開始研究白色體,也不是為了尋找內外膜之間的這座橋,而是想要知道白色體內外膜的轉運機組是否跟葉綠體一樣,想用在作物改良上。

她請團隊成員朱瓊枝取下豌豆根、分離出白色體,分析膜上的轉運機組成員,結果意外看見一個新面孔:TIC236!

李秀敏立刻上網搜尋,找到一篇論文提到大腸桿菌的雙層膜之間也有個作為橋樑的 TamB 蛋白,居然跟 TIC236 的序列相似,換句話說,TIC236 可能與 TamB 一樣具有「橋樑」的功能。「莫非 TIC236 就是葉綠體外、內膜間的橋樑?」李秀敏敏感的聯想。

她說:「好運是留給準備好的人。那天搜尋到它跟大腸桿菌的 TamB 橋樑蛋白很像時,我已經知道大概是什麼樣的故事,但要有本事去證明。 」

找到 TIC236 的闖關之路,比想像更艱辛

她先請團隊成員陳奕霖去研究:TIC236 基因是否在葉綠體裡也很重要?查資料庫後發現,TIC236 基因在阿拉伯芥全株都有表現,一旦基因被破壞,植株就會死亡,但過去科學家並不清楚這個基因的作用。

阿拉伯芥的野生株 (左) 以及 TIC236 基因表現量減少的突變株 (右),突變株有發育不良或葉子缺刻等狀況,表示若缺少 TIC236 這座橋,葉綠體無法正常運作。
圖片來源│李秀敏

接下來,如果能證明 TIC236 和外膜通道蛋白 TOC75 真的相連,就能證明 TIC236 是連接內外膜轉運機組的橋樑了!陳奕霖用了一個很短的化學交聯劑做實驗,它的兩端可以分別和不同的氨基酸相黏。如果 TIC236 和 TOC75 都被它黏住,表示兩者距離非常非常接近,應該是相連的。結果,實驗成功了!

但好事多磨!當時有個德國研究團隊已經發表論文,認為葉綠體外膜通道 TOC75 在演化過程中已翻轉了 180 度。李秀敏很詫異:「如果 TOC75 真的已翻轉,TIC236 就不可能和 TOC75 相連!」因此他們又繞了一大圈,花上兩年重複德國的實驗,終於證實他們是錯的。

蛋白質啊!你可不可以跑快一點

最後,怎麼讓大家「眼見為憑」:在 TIC236 基因表現量減少的突變株中,TOC 和TIC 轉運機組的複合體含量真的會減少?這要透過凝膠電泳並拍照。

方法是:通電後,各個蛋白質會按分子大小和性質等,分別在凝膠上移動,就像賽跑般有快 、有慢,藉此可將它們分開,一個個在凝膠上現形,就能一眼看出它們的多寡,又稱為跑膠。

一般蛋白質的分子量小,容易跑膠,但 TOC 和 TIC 轉運機組的複合體很大,在膠上跑不動。她說:「那時做這個真的快抓狂!那不是一般的膠,超難跑的!每個周末我都坐在研究室思考怎麼改進。」她和陳麗貞花了近兩年,終於完成這項艱鉅任務。

歷經七年的實驗抗戰,總算蒐集到充分證據,他們終於證明 TIC236 的確是葉綠體內、外膜之間的橋樑通道,並證實了這套運輸系統從最早的細菌一直保留至今,是植物演化學上的一大突破!論文獲登國際知名期刊《自然》(Nature),還得到編輯專文推薦。

李秀敏笑著解釋:「這個蛋白質很難做,我們有辦法找到,並證明它如同我們想像的,是從低等細菌一直保留到高等植物,是我們厲害的地方!」問到為什麼這次研究如此有創意,她頓了頓,認真的說:

這次的突破並非創新或天才想法,而是一步步、按部就班,並加上團隊的通力合作才能完成。

基於天生對植物的熱愛與長年的紮實研究,終於讓李秀敏發現這座葉綠體不可或缺的生命之橋。一直在這個問題上努力不懈的她,也宛如一座橋,引領我們探索植物生命的奧妙。

延伸閱讀

本文轉載自中央研究院研之有物,原文為「打開植物學課本,就像回到家啊!」發現葉綠體蛋白質橋樑的李秀敏,泛科學為宣傳推廣執行單位

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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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越南車廠將撼動特斯拉電動車地位!?誰能在電池戰中獲勝?
PanSci_96
・2023/02/26 ・2723字 ・閱讀時間約 5 分鐘

2022 年 12 月,來自越南的 999 台 VinFast VF 8 City 型智慧電動車乘坐貨輪抵達抵舊金山貝尼西亞港,敲開特斯拉的電動車帝國大門。

除了吹響這次的電動車戰爭號角的 VinFast,眾多車廠像是通用汽車(General Motors)或是來自中國的比亞迪等,都拿起籌碼坐上桌,準備要搶攻這塊市場。而大家手上握的籌碼,就是自家生產的電池。

氫與鋰,都幾?

在電動車產業中,要掌握電動車,就得先掌握好電池。光是電池就佔了整台車 35~40% 的成本,選擇不同種類的電池,更會影響到續行里程、充電效率和安全性。而目前電動車所使用的均為「鋰離子電池」。

大家是否還記得,在十幾年前,與電動車角逐未來「環保車」位置的,還有氫能車。

氫與鋰的競爭勢必發生,它們排在元素週期表最前面,原子序最小的一、三名。鋰的密度甚至僅有每立方公分 0.534 克,比水還要輕,代表在相同的重量下,可以放入更多的原子,攜帶更多的電量,這正是我們最需要的。由於氫氣的分子量小,在燃料電池中的能量轉換效率也不錯,因此「理論上」氫燃料電池的能量密度是鋰離子電池的 150 倍。

只是,就現在技術成熟度來說,明顯是鋰離子電池獲勝,不論是手機、電動車還是大型儲電設備,到處都見得到鋰離子電池的身影。

手機也是使用鋰離子電池。圖/Envato Elements

鋰離子電池

1970 年代,英國化學家惠廷翰(M. Stanley Whittingham)發明了第一個可以充放電的鋰離子電池,其單位重量的儲電效率遠超過當時的鉛蓄電池與鎳鎘電池。在電池中,金屬鋰會在負極丟下電子,以鋰離子的狀態移動到正極,並被特殊設計的二硫化鈦夾層捕捉,電路中的電子則會從負極流往正極,完成電路循環。

不過當時負極所使用的是純金屬鋰,因此,在電池充電、鋰離子會回到負極再結晶成金屬鋰的過程中,會容易形成如同鐘乳石般的晶鬚(Lithium Dendrite),當晶鬚因為反覆充放電變的更長,甚至會戳破電池的保護層,導致短路爆炸。

好在後來美國的古迪納夫(John B. Goodenough)與日本的吉野彰(Akira Yoshino),分別將正極材料換成了鋰鈷氧化物,負極換成可以捕捉鋰離子的碳材料;整顆電池不再有純金屬鋰,只有鋰離子在電解液中移動,確保了安全性,讓鋰離子電池得以商業化。

而這孕育出鋰離子電池的這三位科學家惠廷翰、古迪納夫以及吉野彰,在 2019 年抱回諾貝爾化學獎,實至名歸。

2019 年諾貝爾化學獎,頒給了孕育出鋰離子電池的三位科學家。圖/The Nobel Prize

電池的負極在吉野彰將負極換成石墨烯等碳材料後,至今沒有太大的變化,鋰離子電池最主要的改良還是圍繞在正極材料的改變上,我們習慣將不同的鋰離子電池依照它的正極材料來命名,例如:將鋰離子電池的正極改為鋰鈷氧化物,則稱為鈷酸鋰電池。電池發展到現在,陸續登上舞台的還有磷酸鐵鋰電池、磷酸鋰錳鐵電池、鋰鎳鈷鋁電池、鋰鎳錳鈷電池等。

哪個才是最強的電池

「三元電池」是目前市面上可量產的產品中、能量密度最高的電池,也是現在電動車的電池首選。「三元」指的是正極材料中除了鋰以外,加進了鎳、鈷、錳三種元素,具有高容量、低成本的巨大優勢。

除此之外,材料學家發現,如果提高鎳含量,可再進一步提升單位體積的電容量。許多車廠推出的高鎳電池,其鎳含量甚至高達 80 至 90%。這種高鎳三元電池的電容量可以高達每公斤 280~300瓦時(280~300 Wh/kg),相較之下,馬斯克最愛的「磷酸鐵鋰電池」每公斤只有 140~150 瓦時(140~150 Wh/kg),僅三元電池電容量的一半。

那為什麼電動車龍頭特斯拉反而選擇了磷酸鐵鋰電池呢?就是成本考量。

磷酸鐵鋰的成分除了鋰以外,只需要常見的鐵跟磷,完全移除了昂貴的稀有金屬鎳跟鈷,在俄烏戰爭爆發之初,由於俄羅斯是鎳的生產大國,導致鎳的價格在一個月內暴漲了 250%,大大增加了高鎳三元電池的成本負擔。

另外,相對三元電池,磷酸鐵鋰電池不僅成本低,安全性也較高。

除了特斯拉,在 2022 年電動車銷售數量超越特斯拉的中國車廠比亞迪也很愛!比亞迪自行研發的「刀片電池」用的就是磷酸鐵鋰電池,並且透過物理結構的改良,在不過多改變材料的情況下,增加相同體積中的電容量。

特斯拉電動車用的是磷酸鐵鋰電池。圖/Wikipedia

次世代電池,Taiwan can help?

科學家預估,鋰離子電池的物理極限大約就在每公斤 300 瓦時,三元電池也差不多摸到這條線了。而這個結果離「完美」絕對還有很大一段距離,因為汽油的能量密度可是每公斤一萬兩千瓦時,鋰離子電池的 40 倍!

先別失望!隨著科技進步,鋰離子電池也將進入次世代。2022 年 3 月,Gogoro 與台灣電池廠商輝能科技共同發表,將在 2024 年導入固態鋰電池,用固態電解質來取代傳統鋰電池中的液態電解液。藉此不僅重量僅有鋰電池的一半,去掉液態成分後更大幅減少漏液、燃燒的風險;更重要的是,固態電池的能量密度上看每公斤 500 瓦時,是三元鋰電池的兩倍,車主們就可以少換幾次電池。

想開電動車的車迷也可以期待,除了 Gogoro 以外,輝能科技也宣布結盟 VinFast,可望在電動車市場上掀起一波固態電池車風潮。

這邊有個更好的消息,超越固態電池,能量密度可以逼近汽油的「空氣鋰電池」已經在研發路上。空氣電池的負極使用鋰金屬,正極則替換為氧氣或二氧化碳,成為鋰氧氣電池(Li–O2 Battery),或是鋰二氧化碳電池(Li–CO2 Battery);用氣體取代了原先沉重的金屬正極,大大提高了相同重量的電容量。

雖然空氣電池仍在研發,一樣需面對負極沉積時產生的晶鬚、安全等問題;但至少在過去 20 年,鋰電池遇到的困難已經多次被解決,電化學儲能的方式大有可為。

電動車的發展持續受到關注。圖/Envato Elements

不論是市場上電動車的銷量年年攀升,還是各國政府、車廠的全力投入,電動車主導汽車市場的未來已經清楚可見。未來會不會出現顛覆市場的電池、電動車,甚至是全新型態的交通工具,都令人期待。而在工業製程與材料改革中,「電動車是否真的有比較環保」這個問題,也希望能有個解答。

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世上最貴的藥——血友病基因療法
PanSci_96
・2023/02/25 ・3182字 ・閱讀時間約 6 分鐘

對有些人來說,凝固止血是辦不到的事。凝血功能異常的大魔王就是血友病,患者生活不輕鬆,治療用的藥物更是天價。

美國食品藥物管理局在 2022 年 11 月批准的血友病新藥 Hemgenix 。每次治療的藥價高達 350 萬美元,一躍成了世界上最昂貴的藥品。

血友病的藥怎麼會貴成這樣?為何那麼難治癒?在討論這些問題之前,首先我們要面對一個很複雜但意想不到的身體現象——凝血。

血是怎麼凝固的

當血管出血時,會先收縮血管,降低血流量。血小板接著形成臨時的血小板栓堵住血管,然後啟動凝血機轉,形成更加穩固的纖維蛋白,使血管完全堵塞,形成凝塊堵住傷口。整個過程要跟時間賽跑,凝血太慢,臨時的血栓就會被血流沖垮;因此在血友病等疾病影響下,凝血因子數量不足或失去正常功能,就會造成異常的出血症狀。

其中「凝血機轉」(Coagulation cascade)是關鍵的一步,Cascade 指的是眾多凝血因子(coagulation factors)瀑布式的級聯機制,在一連串繁複的生化反應下,在血流中快速建立起穩固的纖維蛋白來堵住傷口。這些凝血因子都是絲氨酸蛋白酶,能加速另一種蛋白質分解,每一個被啟動的凝血因子,會啟動下一個凝血因子,最終形成血塊。

凝血因子的命名是依照歷史上發現的先後順序,訂下編號 1 到 13。當我們需要凝血因子開始工作時,就會將其活化;被活化的凝血因子,會在各自的羅馬數字後面加上 active 的“a”來表示,例如,因子 V 活化之後就變成因子 Va。

凝血因子的命名為編號 1 到 13; “a” 則為被活化的。圖/維基百科

凝血機轉的關鍵在於:不斷讓因子活化成因子 a,因子 a 再去活化下一個因子,直到形成血塊。

在整個過程中,有個因子 IIa 特別重要,又稱為凝血酶 Thrombin,它不僅能活化血小板,讓原本圓圓小小的血小板長出觸手,跟其他血小板勾勾纏在一起。此外,它還能活化內源途徑中的因子 VIII、將共同途徑中的 XIII 活化成 XIIIa、以及將纖維蛋白原因子 I 聚合成不溶於水的纖維蛋白 Ia。

被活化的 Ia、XIIIa 就是凝血機轉關鍵的最後一步,它們會和鈣離子形成互相交聯的纖維蛋白網,讓血塊穩定下來。

血友病成因

既然凝血過程那麼複雜,而我們又要追求凝血速度,那麼要是在哪個環節出了差錯,不就止不了血了嗎?沒錯,這就是血友病的成因。

血友病是一種遺傳性的凝血障礙,通常是由於基因缺陷所導致;然而,儘管是遺傳疾病,但仍有 1/3 左右的病例沒有家族史,代表可能是自己身上產生了突變。血友病分成兩種類型:A 型與 B 型,A 型則是由於凝血因子 VIII 缺乏或缺陷造成的,B 型是凝血因子 IX;兩種血友病的臨床表現很相似,需經過檢驗才能區分。

依用患者血液中特定凝血因子與正常人平均值的比較,來分為重度(1% 以下)、中度(1%~5%)、跟輕度(6%~40%)。成年 B 型血友病患者在 40,000 人當中就有 1 人,其中大多數為男性,台灣約有 200 多位患者。

患者的關節內特別容易出血,造成腫脹、疼痛、無法活動,長期會造成軟骨磨損、關節滑膜充血增生、硬骨骨質流失及骨刺,若是發生不可逆的損傷,就算注射凝血因子也無法恢復;因此,若是罹患重度血友病,最好從小開始預防性定期施打凝血因子,維持濃度,讓關節出血的機會盡量降低。

此外,在正常的初級止血過程中,活化的血小板和內皮細胞會釋放一種叫做 Von Willebrand 因子的蛋白質,如果因子 VIII 沒辦法與其結合,就會在血液中被迅速降解;因此,若 Von Willebrand 因子缺乏或出問題,也會有類似血友病的症狀,在台灣稱為「類血友病」或「溫韋伯氏疾病」(von Willebrand disease, VWD)。

血友病的成因為,在凝血過程中出了差錯。圖/Envato Elements

血友病為何無法徹底治癒

在治療血友病的歷史中,從石灰、明膠、骨髓到蛇毒都曾被用上,不過最主要還是透過輸入大量血漿。

自 1965 年史丹佛大學 Judith Pool 博士發現解凍血漿留下的沈澱物富含因子 VIII,到 1990 年代基因工程培養細胞產生凝血因子;補充因子的治療方法雖可大幅改善患者生活品質,但還是有一些關鍵問題。除了終身都要持續、頻繁地從靜脈注射凝血因子外,療法非常昂貴,且只有不到一半的患者可達到零關節出血的目標。

另外,由於病患沒有因子 VIII 或 IX,他們的免疫系統就有可能把補充進來的凝血因子當成外來的病原,因而產生抗體;儘管這種現象通常只出現在重度患者身上且比例不高,但要是遇上這種情況就非常棘手,病患出血頻率會較高、也更容易關節損壞。通常醫生會使用繞徑藥物(bypassing agent),繞過需要 VIII 跟 IX 因子的凝血路徑來止血,但效果並不如直接補充凝血因子。

在治療血友病的歷史中,最主要還是透過輸入大量血漿。圖/Envato Elements

既然抗體是問題,那把抗體消除不就行了?這的確有可能,曾有醫師發現,若刻意頻繁且大量地給予凝血因子,可以讓病患體內因外來凝血因子而產生的抗體消失,但這起碼要執行超過一年,而且注射劑量得是一般劑量的兩倍以上,才能有較高的成功率。

這種療法稱為免疫耐受引導治療(immune tolerance induction, ITI),執行起來非常辛苦、藥物耗費也多,而且要在很小,大概兩三歲的時候就盡快開始執行,要是長大了才做,成功率就會大幅降低,實在很不划算。

350萬美元其實並不貴?

現有的療法昂貴、耗時、效果有限、而且還得忍受一輩子。於是新療法出現了!

美國食品藥物管理局(US Food and Drug Administration)在 2022 年 11 月批准了一種治療血友病的新藥——Hemgenix:為一種基因療法,透過改造過的腺相關病毒 AAV,將基因運送到患者的肝臟細胞後,就能靠自己製造出凝血因子 IX,讓中重度 B 型血友病患者恢復凝血功能,同時兼顧安全性跟有效性。

基於對 54 名患者的臨床實驗資料,在一次性的靜脈注射後,7~8 個月左右,幾乎所有病患體內的因子 IX 水平都穩定了,預估效果起碼能維持八年以上,甚至更長。即使臨床實驗裡,有患者製造的因子 IX 比較低,但都達到足以避免自發性出血的程度。注射後的副作用很輕微,例如常見的頭痛或輕微的感冒症狀,而追蹤 24 個月之後,跟治療有關的不良反應則是零。

生產商 CSL Behring 將藥價定為每次治療 350 萬美元,對患者來說,若有機會接受新療法,當然是好消息,但是這價格實在驚人。不過,以美國的情況來說,CSL Behring 認為每一位接受新療法的患者,可以替美國健保系統省下 500 至 580 萬美元的費用,患者能夠獲得確實有效而且再也不用頻繁地注射因子 IX,省下每年大約 60 萬到 80 萬美元的治療開支。

Hemgenix 每次治療為 350 萬美元,對多數患者來說,這價格實在驚人。圖/Envato Elements

臺大醫院血液科主治醫師周聖傑表示,台灣成年 B 型血友病患者,每年大約要花台幣 400~500 萬注射因子 IX;不過目前還不知道新的基因療法在台灣價格會是多少。

周聖傑醫師對新療法審慎樂觀,但也提醒,肝臟未發育成熟的兒童、或是肝功能不好的的血友病患者,仍無法使用基因療法;此外也得看患者是否對腺相關病毒已經有抗體,因此療法的適用性仍要視個別狀況考慮。

然而,不論是新的基因療法或是新型長效因子注射療法,對在發展中國家、全球 80% 的血友病患者來說,都是無法負擔的天價。未來若要讓更多患者能受惠,需要各方面共同努力。

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臺灣發展地熱發電到底可不可行?(上)
PanSci_96
・2023/01/29 ・3490字 ・閱讀時間約 7 分鐘

2022 年 3 月臺灣政府正式公布了「台灣 2050 年淨零排放路徑藍圖」,我們在先前的影片也有聊到,2050 淨零排放就是要讓台灣的總碳排放量,再扣掉人為捕捉移除的量之後歸零。

直觀來說,極低碳排放的再生能源電業,在淨零排放上勢必扮演重要角色。這次我們要來聊聊除了太陽光電和離岸風電之外,大家也非常期待的綠色能源——地熱發電,談談地熱發電究竟是什麼?有發展的可能嗎?

什麼是地熱發電?

大家學過地科都知道,地球內部處於極高溫狀態,而這股地熱能,會隨著地函對流和熔岩,被帶至地表附近。

地函對流。 圖/wikimedia

人類很早就懂得利用地熱資源,例如你我曾經泡過的溫泉,就源自於被地熱加熱的地下水。換言之,地熱能是地球自然產生、乾淨的再生能源。若拿來發電,就是所謂的地熱發電。

地熱發電擁有不少優點,包括使用腹地小、碳排放低、低污染、抗天災等,更沒有目前太陽能發電和風力發電最為人詬病的不穩定問題,可以 24 小時全天候提供電力。若能妥善開發和利用,不失為未來全球再生能源供給的重要選項。

臺灣地熱潛力為何?

說得再理想,還是要先回答一個關鍵:臺灣的地熱潛能到底有多少?這邊要介紹一個名詞:地溫梯度(geothermal gradient),它指的是地球內部隨深度增加而使得溫度升高的變化率。

地球內部的溫度曲線示意圖。 圖/wikimedia

一般來說,在地表附近,每往下一公里,溫度就上升約攝氏 25 到 30 度;但是,在靠近地球構造板塊邊界處,溫度梯度較高;也就是說,往下同樣的深度,會得到比較高的溫度。在這些地區,要進行地熱發電明顯比較有利。

而臺灣正好位於菲律賓海板塊和歐亞大陸板塊的交界,因為兩個板塊的互相擠壓,使得地殼隆起而形成。

因此,臺灣不但多地震,就先天條件來說,似乎也是地熱潛力值得期待的區域。

可惜的是,根據上個世紀的地熱評估文獻,臺灣的地熱發電潛能最多不會超過 1000MW,這個數字是多少?我們作個對照,核四兩部機組的總裝置容量是 2700MW。

若再考慮這些地熱的位置和環境,不見得都適合開發,所以可實際運用的地熱就又更少了。對此,工研院甚至曾推估,其中真正能拿來發電的地熱,只有 150MW。

這麼說來,我們大概不用指望地熱發電,只能洗洗溫泉睡了,或頂多只能有小型的發電規模。

不過,代誌(tāi-tsì)不是那麼簡單。當談到地熱資源多寡的時候,就跟為人處世一樣,我們至少必需要留意兩個要素:溫度和深度。很顯然地,當溫度不夠高,地熱發電就沒效率;另一方面,既然地底越深處溫度越高,我們只要一直挖、一直挖、挖得夠深,總是可以得到足以發電的高溫。

前面說到臺灣地熱發電潛能最多不到 1000MW,事實上考慮的是溫泉地區中,離地表比較近、最容易開發的地熱。若往更深的地方探勘,又是另一番風景。

地熱發電,除了考慮溫度還要考慮深度。 圖/envato.elements

在習慣上,國際常分別用淺層地熱(shallow geothermal)和深層地熱(deep geothermal)的稱呼來區別深度不同的地熱能。但要值得留意的是,要多淺才叫淺層、多深才叫深層,並沒有全球一致的定義,反而依各國情況而定。

近年來,在國科會的能源國家型科技計畫支持下,臺灣大學的研究團隊分析了大屯火山群、宜蘭地區、廬山地區和花東地區共四個區域的資料,發現海拔高度 1000 公尺以下、地底深度 4000 公尺以內,且地溫高於攝氏 175 度的地熱蘊藏發電容量,可達 33640MW。換句話說,約等於 12 座核四。

既然臺灣蘊藏了這麼高的發電容量,那我們還不趕快開發開個爆嗎?

地熱發電原理與技術

這就會牽涉到現實中,地熱發電技術的發展。

理想狀況下,地熱資源的構造,大致可以用這張圖來表示。最下方是熱源,熱源之上稱為儲集層(reservoir),再上方則是由緻密岩石組成的蓋層(caprock)。

地下水會經由地層裂縫進入儲集層而受到加熱。因為蓋層的阻擋,大部分熱水或水蒸氣會在儲集層進行熱對流,而少部分的水或蒸氣則可能會透過蓋層的裂縫,從地表竄出,成為溫泉或是噴氣孔。

就傳統的地熱發電來說,地底需要三個條件,豐富的熱源、充足的地下水,和良好的滲透率,讓水可以在其中流動,這三者缺一不可。在具備這些條件的地方,汲取地熱能量相對容易。

如果從地底出來的水是蒸汽型態,我們可以直接利用,讓蒸汽通過渦輪機,產生電力,稱為乾蒸汽(Dry Steam)發電,這也是最古老的地熱發電方式。只不過,這麼好的條件可遇不可求。

若存在地底的是攝氏 180 度以上的高溫熱水,當這些熱水從高壓環境抵達地表的低壓貯存槽,因為壓力降低,會迅速轉變成氣體,推動渦輪發電機,這稱為閃發蒸汽(Flash Steam)發電,同時也是目前最普遍的地熱發電方式。

要是地熱資源的條件沒那麼好,比如說,世界上大部分地方,地溫梯度並不高,就算挖得很深,地下水溫就是不熱,怎麼辦呢?就像教授在課堂上講笑話,大學生托著腮毫無反應一樣,那就找批笑點很低、又很有精神的小學生來吧!

近來,許多的新建地熱發電廠採用所謂雙循環(Binary-Cycle)發電方式,當溫度沒那麼高的地下水到達地表後,會在熱交換器(heat exchanger)與另一種流體交換熱能,像是正戊烷(Pentane)或丁烷(Butane);它們因為沸點很低,所以在接收到地下水的熱能後,會轉變成氣態並推動渦輪,產生電力。雙循環系統的好處是適用更廣大的區域,而且對溫度的要求不高,甚至有攝氏 57 度就成功發電的紀錄,但缺點就是發電效率較低。

目前世界上的地熱發電廠,主要都是用以上三種方式進行發電,深度約在 1.5 公里到 2.5 公里左右。然而,正是地熱發電技術的瓶頸,成為臺灣大規模開發地熱資源的難處之一。但這些難處,其實也有技術可以破解!

臺灣地熱的先天條件、侷限、破解之道

上述的地熱發電方式,至少都需要有充足的地下水或地下流體,和良好的滲透率;就算溫度不夠高,也還可以用雙循環系統來彌補。

但在臺灣,深度較淺、容易探勘與利用的地熱資源,發電潛能最多也不過前面提及的 1000MW,而且還得再扣除不適合開發的地區。如果想大規模進行地熱發電,就勢必要往更深處的地熱資源著手。

然而,我們卻沒辦法保證潛在的地熱資源,都具備充足的地下水跟良好的滲透率。有很大可能是,地底深處儘管溫度夠高,卻沒有水也沒有適當的裂隙。這也是全球地熱發電發展腳步緩慢的原因之一。

為了克服此一問題,這些年來陸續有不同的提案出現。而國際上最常被提及的解方,就是所謂的增強型地熱系統(Enhanced Geothermal System),簡稱 EGS。

EGS 在嚴謹控制的環境下,以高壓朝地下深處注入冷水,迫使岩石原本既有的裂隙擴大,人為創造良好的滲透率。

這些冷水在吸收地底的高溫之後,又會回到地表作為發電之用。一旦發電完畢,這些冷卻下來的水又會被注入地底,如此往復循環。有如開了二檔的魯夫。

整套方法在 1:05 有動畫呈現。

這樣聽起來,增強型地熱系統似乎很不錯,降低了地熱發電的環境限制門檻。但是,它也存在一些問題。

首先,往地下注入的水,其流動取決於人為擴大的裂縫,但我們並沒有辦法保證裂縫方向符合需求,所以會有很多水是沒辦法回收的;二來,它也有引發地震活動的可能性。這些都是使用 EGS 進行地熱發電時,要實際考慮的問題。

這集,我們討論了地熱發電的原理,以及臺灣是否適合地熱發電,下一集將討論地熱發電的成本,與開發上需要考量的細節,並回顧台灣地熱發電的發展歷史。