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「把生物分子看得更清楚!」結構生物學最新神器──冷凍電子顯微鏡

研之有物│中央研究院_96
・2019/09/27 ・4938字 ・閱讀時間約 10 分鐘 ・SR值 611 ・十年級

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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|廖英凱、美術編輯|林洵安

冷凍電子顯微術,能在原子尺度,快速且不破壞性地觀察生物分子,榮獲 2017 諾貝爾化學獎的殊榮,是今日結構生物研究最具發展潛力的技術。2018 年,蔡明道院士主導的中研院研究團隊建置全國首座高解析度冷凍電顯中心,取得與頂尖國際研究團隊競爭的門票,吸引國內外研究團隊申請使用!

2019 年 4 月,中研院生化所特聘研究員蔡明道院士和中央大學生命科學系陳青諭助理教授的研究團隊,在《美國化學學會期刊》 (Journal of the American Chemical Society) ,發表了研究團隊如何運用冷凍電子顯微術,揭示酵素在原子尺度的結構。

這是國際上第一篇利用高解析度冷凍電顯技術來探討酶學的論文,期刊並將此次研究成果選為當期封面,呈現出宛如藝術品的蛋白質酵素 3D 立體結構圖。

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4 月 17 日出版的《美國化學學會期刊》,蔡道明院士此次的研究成果「蛋白質酵素 3D 立體結構圖」,獲選為當期封面,可見原子級的解析力。
圖片來源│《美國化學學會期刊》(Journal of the American Chemical Society)

冷凍電子顯微術 (Cryo-electron microscopy, cryo-EM) ,是今日結構生物學研究最重要的技術突破。百年來,生物學家逐漸了解蛋白質、脂、核酸與醣等生物分子對生命運作的影響與機制,但過去缺乏原子級解析度的觀測工具,大大限制了生物學家的「視野」。

近半世紀,觀測技術不斷突破,構築了結構生物學一窺生命奧秘的諸多觀測方法,像 X 射線晶體學、核磁共振光譜法,以及質譜法,各有優缺點。冷凍電子顯微術以其原子級的解析力,成為最受期待的觀測神器!

結構生物學的新「視」界:冷凍電顯技術

在過去,研究者想要看到高解析度的微觀世界,電子顯微鏡絕對是不二選擇。因為電子波長比可見光還短,使解析度可高於光學顯微鏡,甚至能看見個別原子的位置。

可惜的是,電子顯微鏡也有限度!它使用高強度的電子束照射樣本,還要讓樣本處在真空環境中,導致生物分子會嚴重變質,無法觀測。 2017 年諾貝爾化學獎冷凍電顯技術,正可突破電子顯微術的問題。

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冷凍電顯技術的問世,起源於蘇格蘭學者韓德森 (Richard Henderson) 以電子束觀測蛋白質「菌紫質」 。他利用留在細胞膜內的菌紫質不易因真空環境乾掉變形,以及在液態氮的冷凍環境下樣本不易受到電子束破壞的特性,証明了冷凍電顯技術可以用來觀測生物分子,並提供足以媲美 X 射線晶體學的解析度。

瑞士學者杜波克特 (Jacques Dubochet) 進一步改善冷凍環境!他的設計是:先將液體樣本鋪在金屬網格上,形成如泡沫一般的薄膜,再將薄膜浸入攝氏負 190 度的液態乙烷。這時樣本中的水會變成「玻化水」 ,意思是水凝固時不會產生冰晶干擾觀測,而是形成無結晶的玻璃化狀態。如此一來,就算將樣本放在真空的環境,也不會影響到樣本的結構。

第一步:將樣品放在金屬網上,並移除過多的樣品,樣品會在網目上形成薄膜。
資料來源│諾貝爾獎官網 2017 化學獎冷凍電子顯微鏡簡介
圖說設計│廖英凱、林洵安
攝影│林洵安
第二步:將金屬網快速射入攝氏 -190 度的液態乙烷,樣本將被急速冷凍的「玻化水」包覆。
資料來源│諾貝爾獎官網 2017 化學獎冷凍電子顯微鏡簡介
圖說設計│廖英凱、林洵安
攝影│林洵安
第三步:在攝氏 -190 度的低溫中,研究員進行電子顯微鏡的觀測,可保生物分子結構不受影響。
資料來源│諾貝爾獎官網 2017 化學獎冷凍電子顯微鏡簡介
圖說設計│廖英凱、林洵安

把樣本薄膜化,再急速冷凍,就彷彿按下時間暫停器, 使生物分子保持在凍結前一刻的結構。研究者可先將生物材料調整到想觀測的環境條件下,例如:給予不同的酸鹼值,不同的反應時間,再透過急速冷凍保持其結構,就能針對同一生物分子,觀察它在不同生化機制進程的結構變化。

不過,生物分子製備成樣本,排列的角度是隨機的,拍攝的影像是二維,怎麼組合成三維的分子結構呢?美國學者法蘭克 (Joachim Frank) 發展出一種演算法,可將不同角度的二維影像分類與整合、自動合成出三維圖像。

第一步:電子束撞擊隨機排列的生物分子,形成不同的影像。電腦把上千張相似的影像放在一起,變成一組,合成ㄧ張高解析度的二維影像。
資料來源│諾貝爾獎官網 2017 化學獎冷凍電子顯微鏡簡介
圖說設計│黃曉君、林洵安
第二步:電腦整理出所有角度的高解析度二維影像,計算影像的關聯性,得到高解析度的三維影像。
資料來源│諾貝爾獎官網 2017 化學獎冷凍電子顯微鏡簡介
圖說設計│黃曉君、林洵安

關關難過關關過!科學家就這樣逐一克服冷凍電顯技術的難題。隨著技術與零組件的持續精進,冷凍電顯技術成為今日研究生物分子最具潛力的新興技術。2017 年諾貝爾化學獎,即由韓德森、杜波克特和法蘭克三人共享。

結構生物學的四大神器

除了冷凍電顯技術,結構生物學的研究也運用到 X 射線晶體學核磁共振光譜法,以及質譜法。三項技術的原理、適用範圍有所不同,既能互相補足,也各有限制,研究者必須綜合不同技術的數據,才能推敲資料背後的自然法則。

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結構生物學發展初期,研究蛋白質等生物分子的主力是 X 射線晶體學(X-ray crystallography, XRC),只能觀測結晶後的生物分子。

1950 年代起,X 射線晶體學問世!科學家利用 X 射線照射結晶後的生物分子,由於生物分子的結晶會使 X 射線繞射,只要觀測繞射後的 X 射線紋路,就可經由數學方法計算出晶體的結構。

然而 ,X 射線晶體技術觀察的生物分子,本身必須能形成分子排列整齊的晶體,但不是所有蛋白質都能形成晶體。即使可以,很多蛋白質分子必須在特定的酸鹼和溫度等環境條件下才會結晶。研究者想要觀察生物分子在不同環境下的結構變化,往往缺乏分子晶體而無法如願。

核磁共振光譜法(Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy, NMR),可研究液體樣本,但較適用小分子。

核磁共振光譜法,是將樣本放置在磁場中,利用樣本中有些原子核 (如 1H 和 13C 等)可與磁場共振,先吸收強磁場,再放出電磁波。因為分子不同,可共振的原子核數量、位置都不一樣,因此釋放出的不同電磁波訊號。研究者可從接收的電磁波訊號,反推這些原子核在分子內的數量與分布。

1980年代起,核磁共振光譜法廣泛運用在觀察溶液中比較小的生物分子,例如:比較小的蛋白分子、RNA 結構或是構築生物膜的脂質分子。但就像一把雙面刃,核磁共振光譜法難以觀測較大、較複雜的生物分子。

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質譜法(mass spectrometry, MS),透過量測帶電粒子質量/電荷(m/z)比值的方式,了解物質的組成,無法「看見」物質的立體結構。

早在 1913 年,科學家就已提出質譜法。近二十年來,開始運用質譜法分析生物分子,例如正常細胞與癌細胞的差異,作為判斷癌症等疾病的輔助分析。但質譜法只能告訴我們物質的種類與數量,無法幫助我們解析物質的三維樣貌。

總括而論,既有三項技術雖揭開大量生物分子結構的奧秘,但都有限制與改善的空間。而冷凍電顯的問世,正克服了過去技術的限制,而開拓了結構生物學研究的視野。可惜的是,在生物技術研究的國際浪潮中,過去我國相關技術的建置速度,仍略遜國際科研大國。

2000 年起,因為「基因體醫學國家型科技計畫」支持,以及後續計畫經費的持續挹注,中研院陸續購入 X 射線晶體學、核磁共振光譜法,以及質譜法等儀器。2018 年 9 月,蔡明道團隊建置完成了國內首創的冷凍電顯中心。

中研院的一台高階冷凍電子顯微鏡:Titan Krios。為了不干擾冷凍電顯的觀測,整個環境設計為防震、吸音、控溫、控濕,一絲絲微風也沒有。圖中立者為中研院生化所副研究員何孟樵,坐者為冷凍電顯中心經理張淵智。
攝影│林洵安

至此,中研院結構生物研究的四大神器已然完整到位,取得與頂尖國際研究團隊競爭的門票!

冷凍電顯中心研究什麼?

「冷凍電顯技術可以克服其他儀器的限制,在可預期的未來,勢必慢慢成為主流研究方式。」蔡明道院士堅定地說。

2019 年 4 月,在冷凍電顯中心設立短短半年後,長期投入酵素研究的蔡明道院士與中央大學生科系陳青諭老師,利用冷凍電子顯微術,觀察 KARI 酵素在原子尺度的結構,並在不破壞酵素且提高實驗效率的情況下,研究 KARI 酵素的活性如何受到酸鹼環境的影響。

這是國際上第一篇利用高解析度冷凍電顯結構來探討酶學的論文,引發關注。

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這是因為 KARI 酵素與生質燃料的生產有密切關係,這項研究不只有助於理解生物機制的奧秘,還可能進入工業運用,實際解決當代能源危機與減碳難題。

除了理解生物分子結構,蔡明道院士認為冷凍電顯更重要的研究方向是:將過去生物學家對生物分子功能的理解,結合化學家對原分子尺度化學反應的理解,讓科學家更了解生化反應的機制。

除了長期投入的酵素研究以外,冷凍電顯中心可配合中研院專精的醣科學研究,以原子級的高解析度觀測蛋白質上的醣結構。或是對於疾病管制影響甚鉅的病毒研究,過去傳統上判定病毒或判斷生物是否感染病毒,常常利用血液中該病毒抗體的數量來間接推測。目前,蔡明道院士也與成大醫學中心的團隊合作,研究傳染病毒的微結構,協助疫苗研發。

台灣蛋白質計畫的野望

在 2017 年諾貝爾化學獎的加持下,今天冷凍電顯技術已是學術界人人追求的神器。

早在諾貝爾化學獎公布之前,2016 年下半年,蔡明道院士已經洞見時代的浪潮,規劃中研院冷凍電顯中心的建置。在中研院的支持下,很快地,在 2017 年 3 月訂購了儀器,經過一年半的建置與人才培訓,在 2018 年 9 月完成建置。

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冷凍電顯中心的建置,不只是取得與國際競爭的門票,蔡明道院士也戮力於優秀人才發掘與培養。

以冷凍電顯技術的 PI 和儀器經理來說,因為相關人才稀少又熱門,難以招募到已有相關經驗的外籍學者。蔡明道院士帶著國內結構生物學的研究人員,透過自學與參與國外課程、研究計畫等方式,訓練自己的技術人才。如今,中心已建置四台不同級別的冷凍電子顯微鏡,可供應初階使用者訓練、初階研究,自動化中高階研究與自動化高階研究。

此外,冷凍電顯技術的建置與人力成本高昂,最高階使用費用更需每日一萬四千元,年輕研究者的計畫經費往往難以支付。因此,蔡明道院士所主持的「台灣蛋白質計畫」,主動尋覓相關領域的優秀年輕研究者,不只是提供經費與儀器資源,更參與研究方向與科學探索的知識辯證,達到研究與知識的合作與傳承。

近期,台灣蛋白質計畫也著手於產學合作的發展。蔡明道院士認為蛋白質研究本身複雜度且難度夠高,研究內容也夠新穎,所需的儀器與知識,業界難以自行承擔。所以應由業界提出難度極高的問題,交由學術界研發解答,以充分發揮學術界的優勢與特性。

蔡明道院士打造的冷凍電顯中心,不僅是在儀器使用上能做到便利研究者的一體化服務,而是將厚植國家科研能力、協助產業發展、培養年輕研究人才等等崇高理想,耦合而成的知識傳承典範。

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中研院生物化學研究所特聘研究員蔡明道院士,創立中研院冷凍電顯中心,以厚植國家科研能力、協助產業發展、培養年輕研究人才。
攝影│廖英凱

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本文轉載自中央研究院研之有物,原文為「把生物分子看得更清楚!」結構生物學最新神器–冷凍電子顯微鏡,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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筆耕卅五載,洞鑒電路板春秋——專訪PCB切片權威白蓉生
顯微觀點_96
・2024/03/30 ・4463字 ・閱讀時間約 9 分鐘

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本文轉載自顯微觀點

低調的電子產品之母

拆開任何現代電子產品,都可以發現印刷電路板(Printed Circuit Board, PCB)的踪影。從地球外的人造衛星、最新款 iPhone 到傳統桌上型電話,印刷電路板都在其中乘載元件、傳遞訊號,因此也被稱為「電子產品之母」。

臺灣是舉世聞名的 PCB 出口大國,儘管出現廠商逐廉價勞動力外移的趨勢,臺灣企業的市占率依然超過三成,位居全球第一。

在追求精密化、提高良率的產業進步過程中,分析 PCB 切片顯微影像是不可或缺的步驟。要看得細膩真確,則有賴 PCB 樣本製備及影像判讀,兩項需要精密操作、耐心和敏銳判斷力的技術。

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從拋光臺到編輯臺

現年 85 歲的白蓉生,是兩岸 PCB 業界備受尊敬的分析技術權威,曾獨立經營《電路板資訊雜誌》8 年,並擔任臺灣電路板協會《電路板季刊》總編輯 25 年。他磨練 PCB 切片檢驗與判讀能力 40 餘年,持續對業界分享他的獨門 PCB 顯微分析心得。

影像來源:顯微觀點

自 1980 年代以來,白蓉生公開發表超過 800 篇圖文並茂的 PCB 檢測技術文章,並擔任國內外重要廠商的技術顧問。他不藏私的經驗分享,促成 PCB 製造商的技術躍進與營業成長。

PCB 檢測過程中,光學顯微檢驗是最為基礎,也提供最多資訊的步驟。進入顯微載物台之前,PCB 需要經過切片取樣、封膠、研磨、拋光、微蝕等步驟。其中切片與研磨、拋光需要格外細緻的操作能力,才能在顯微鏡下呈現清晰平整的切面。

良好的 PCB 切片樣本,可以將整個切面維持在同一個焦平面,均勻呈現孔道的鍍銅品質、不同金屬間介面的良窳,整個水平面上的顯微景觀都維持清晰對焦。透過尋找細微瑕疵,來改進 PCB 的製造過程。

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「在放大 1000 倍、3000 倍後,都可以維持切面對焦的樣本,才是合格的切片樣本。」

—在每一篇技術文章都分享數十張顯微影像的白蓉生如此強調。
平焦與起伏對比切片小圖20231013163621
圖 1 與圖 2 是常見 QA 等級的切片,同一個視野中就出現失焦。圖 3 與圖 4 則整個視野都能清晰成像,符合白蓉生要求的 FA 切片標準。影像來源:白蓉生

精細樣本製備與多重顯微技巧

白蓉生以業界檢驗分級 QC(Quality Control, 品質管理), QA(Quality Assurance, 品質保證), FA(Failure Analysis,故障分析)為案例,「合格的 FA,追求整個切片視野的焦聚一致,一覽無遺。一般 QC 或 QA 人員,慣於接受觀察球面樣品,對於看不清楚的部分不了了之。」

他指出,業界常見的球面切片無法得到清晰的全面影像,是研磨與拋光的技術與耐心不足。焦點起伏不定的切面無法展現細節中的魔鬼,工程師自然也無法精進製程、更換材料以祛除瑕疵,。

現任職欣興電子技術顧問的白蓉生,在廠內建立 FA 切片師的培訓與考試機制,30 年來僅有 20 多人合格。製備合格切片之後,影像判讀是分析製程的必須能力,因此白蓉生設立與 FA 切片師並行的 FA 判讀師制度,迄今也只有 20 多人合格。

白蓉生感嘆,「切片與判讀都需要下苦功練習,30 年來只有 3 個人獲得切片師與判讀師雙料合格。」

—來向他學習切片與判讀技術的,往往是 PCB 業界的資深工匠或管理階級,要放下既有經驗與身段並不容易。

白蓉生笑說,「來學切片判讀的,常常是經理或副理,對專業經驗自視甚高。但他們所學愈深,就愈是謙遜。登堂入室,才發現前方學海無涯。」

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白蓉生善用多種顯微技巧,樣本中的細微差異都無法逃脫他的法眼。影像來源:白蓉生

隨著顯微技術演進,業界流行使用電子顯微鏡觀察切片,認為看愈小愈好。白蓉生卻堅持以光學顯微影像作為判讀依據。因為在電子顯微鏡下,只有黑白影像,無法利用顏色分辨不同材質。

白蓉生說「用電顯判讀的結果,無法分析顏色。我認為都是胡說,像是文盲在看書。儘管能看到很小的顆粒,分析人員也只能看著黑白影像說:『那是雜質』。」

切換明視野、暗視野、偏光干涉等光學技術,再搭配透視與立體顯微鏡的組合,PCB 切片中不同金屬在白蓉生鏡下呈現明顯對比,相同金屬也會因為歷經不同處理而呈現不同顏色。電鍍銅與化學銅的差異、電鍍與焊接的品質,都在白蓉生的顯微影像中一覽無遺。

領導業界規格 畢生追求精進

除了基本的明場自然光,白蓉生也分享他常用的顯微技巧:以明場光源搭配干涉,在最暗與最亮的偏光下可獲得透視效果。明場兼用偏光與干涉可以使銅面呈現立體效果,且電鍍銅會呈現藍色易於分辨。採用偏光與干涉的單純暗場則能呈現最佳的材質對比效果。

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白蓉生強調,「因為能看出金屬介面的細緻型態,我們才能知道技術要如何改進。」

—「而不是把顆粒都標籤為『異物』,說服自己製程、材料很完美,失去進步的機會。」

在白蓉生指引的工藝改革下,原本表現平庸的欣興電子成為精密載板的重要國際供應商。他得意地說,「我們製作的 Daisy Chain 載板佈線連貫強韌,承受 500 次熱漲冷縮測試之後,電阻增加不到 5%。技術紮實到連 Nvidia 這種頂級客戶都大吃一驚。」

欣興電子雇用白蓉生為顧問後,他追求精進的態度製程水準帶來革命般的改變。白蓉生回憶,早先欣興電子的產品良率不到八成,「或許剛好可以維持公司運作,但也無利可圖。」

現在欣興電子的高階 IC 載板良率已穩定超過 9 成 5,股價也成長超過十倍。白蓉生笑說,「我沒有因為公司股票賺錢!我原本就不想要賺大錢,因為錢多了沒用,只是徒增煩惱。」

電鍍銅細微變形
電動車用的 5G 通訊電路板,在 50 次回焊之後必須維持電阻值變化在 5% 之內。圖中的細小變形就會導致電阻值增加。影像來源:白蓉生
電鍍銅在50次回焊後軟化變形
電路板回焊 50 次後,電鍍銅軟化變形,可能導致電阻增加。業界進行品質管控時經常忽略這種細節。需要細緻的顯微觀察技術才能發現。影像來源:白蓉生

以紙上技藝傳遞電路板工藝

話雖如此,白蓉生也坦承,「當年創立《電路板資訊雜誌》是生活所需,因為從安培離職,沒工作就沒收入啦!」

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從資深工程師轉為科技月刊發行人兼總編輯,白蓉生的生活更加忙碌,全副精神都浸泡在 PCB 技術知識的研讀和傳遞中。

他回憶,當時他自己擔任總編輯兼送報生,手稿交由妻子與另一位打字員處理,在沒有網路的時代,每一期要繳出 5 萬字圖文並茂的稿子。除了努力訪問國內廠商、專家,也要大量編譯國外刊物內容。當年雜誌收入以廣告費為主,每個月可以得到超過 20 份廣告委託,在沒有前例的科技月刊市場上,開拓出意外佳績。

《電路板資訊雜誌》從 1988 年發行至 1996 年,白蓉生在 8 年間自力編譯、採訪、寫作,從早晨六點到午夜睡前,都在蒐集資料、勤奮筆耕。

「我一周六天都在編雜誌,沒有應酬娛樂,也沒請過病假,因為連生病的時間都沒有!」

—月刊生涯的辛勤讓白蓉生難以忘懷。

雜誌停刊之後,白蓉生享受了兩年退休生活,發現自己閒得發慌。他受邀擔任臺灣電路板協會(Taiwan Printed Circuit Association, TPCA)的顧問及《電路板季刊》總編輯,繼續研究、傳授電路板顯微影像的判讀方法,以及細緻的製程改善技巧。

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白蓉生老師 小圖

《電路板季刊》迄今已發行 100 期,白蓉生也成為華語世界最重要的電路板知識傳遞者。

懷有珍貴 PCB 分析知識與技術的白蓉生,在兩岸業界深受重視,是各大廠商極力邀請的講師。他的判斷力不是來自學校或公司的教育體系,而是靠著多年來的勤奮自學。

好學、勤奮與謙虛的自我養成

白蓉生說,他少時家貧,因此就讀師範學校以省下學費,還能領錢和白米幫助家境。但師範學校學歷不如一般大學(當時師範學校專門培育小學校教師,僅需 3 年教育),心有不甘的白蓉生在小學任教三年後,考上中興大學化學系,同時擔任小學老師和大學生。

白蓉生在大學畢業後進入中華航空擔任化學工程師,反覆的電鍍工作並未帶給他成就感,他於是轉職美商安培電子(Ampex)。1969 年起,白蓉生在安培電子大量接觸 PCB 製造與檢測的第一線作業,開啟了鑽研 PCB 分析判讀的專業道路。

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1969 年,安培電子於桃園設廠,是臺灣 PCB 生產王國的發軔時刻。白蓉生在此接觸到國內最先進的 PCB 工藝。他樂於在下班之後繼續研究檢測材料,探索各種慣例外的顯微方法,逐步建立自己的 PCB 切片檢查技巧。

手動拋光使刮痕消失
樣品拋光也是白蓉生長年執著而深入的技術。他對學生一概要求手動拋光,以免電動轉盤拋光機的力量導致表面起伏不平。他強調,要用衣物布料等級的棉質針織布輕柔拋光,才能得到平坦無刮痕的樣品。影像來源:白蓉生

除了 PCB 製造工藝的獨到見解,對文學的喜愛也是白蓉生筆耕不輟的動力來源。他說,自己求學時力求節儉,一直步行上學,超過 40 分鐘的漫漫路途是他背誦古文的時間,對文學的興趣、寫作的欲望隨著路程逐漸滋長。

對於中年轉行,成立沒有前例可循的專業技術雜誌,白蓉生笑稱,「當初發行頭幾期雜誌就燒完 6 萬塊積蓄,我還真不知道能不能回本。」

從技術專家、顧問到專業刊物總編輯,白蓉生拓展並傳承 PCB 分析工藝將近半世紀。他至今保持30年前「永晝方塊每隨飯,長夜蟹文伴枕眠」的強韌動力,投入 PCB 檢測、寫作與講課,建構低調踏實的臺灣電路板工藝文化。

他認為,電子產業是臺灣立國基礎,業界訓練可以彌補產學落差,但好學、勤奮與謙虛的心態是學校或企業不能代勞的,得要由年輕世代主動保持。端正的學習心態結合不藏私的深入技術指導,能養成更多專業人才,使電路板工藝精進,提升業界整體價值。

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凝固的時光:人體冷凍真的可行嗎?把自己冰起來要多少錢?——《真的假的!奇怪知識又增加了》
晴好出版_96
・2023/08/02 ・1906字 ・閱讀時間約 3 分鐘

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還好礙於倫理考量,沒有人打算經由技術手段將奧茲冰人復活。不過冷凍人的復活倒是不少科幻小說中常用的哏。

最早的一篇可以追溯到 1931 年,故事的主角叫詹姆斯,他死後遺體被保存在低溫和真空中發射到太空裡,就這樣漂泊了幾百萬年。後來他的遺體被外星人復活,復活的方式也十分特殊:只復活了他的頭顱,並為他裝上了機械身體。就這樣在人類已經滅絕的時代,詹姆斯獲得了永生。

其實在現實中,雖然幾百上千年不好說,但要讓一個人凍上幾十年,並且仍具有「復活」可能性的技術早已出現,那就是人體冷凍技術。

獲得永生的起點——人體冷凍

1962 年,羅伯特.艾丁格博士(Robert Ettinger)出版的《永生不死的前景》一書,是現實中的人體冷凍的起點。艾丁格博士在書中指出:人類和大量低等動植物一樣,具有「冷凍復活」的潛力。他還在書中預言人體冷凍技術可以使「我們大多數人獲得永生不朽的機會」,並對此進行了嚴密的科學論證。這本書的出版標誌著人體冷凍保存運動的開端,艾丁格博士後來也因此被稱作「人體冷凍之父」。

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人體冷凍並不是簡單地將人一凍了之,而是以在未來的某個時刻將冷凍的人體喚醒為目的的冷凍。因此,在技術上,不但要考量如何將人凍住,也要考量在冷凍以及化凍時不會對人體產生傷害。像奧茲冰人那樣凍成一具乾屍,肯定是不行的。

不過經由前面小象由香和奧茲冰人的故事,我們已經了解,在生物體死後及時讓其進入低溫環境,可以很大程度上延緩甚至叫停讓屍體腐爛。同樣,人死後越快進入冷凍,細胞和身體受到的影響就越小。當然,只要提前簽好協議、做好準備、安排好一切事宜,及時進入冷凍狀態並不是什麼困難的事情。

要怎麼把活人冰起來?

常煮飯的廚藝愛好者都應該知道,一塊鮮肉,在經過冷凍再化凍後,往往會滲出大量的血水。這是因為在冷凍時,細胞中的水分會結冰,而這些冰晶會破壞細胞結構,從而造成細胞的死亡。凍肉化凍時滲出的血水,很大一部分就來自這些破損的細胞。這顯然是我們在以喚醒為目的的人體冷凍中不願意看到的結果。

因此,在對人體進行冷凍之前,需要經由手術和灌注,將人體中的血液替換為冷凍保護劑。冷凍保護劑可以降低冰點,減少冰晶的產生,最大限度地避免對身體細胞組織造成破壞。然後,人體才會進入降溫程式。經過 60 小時的降溫後,冷凍的屍體就可以被轉移到巨大的液氮罐中長期保存了。

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如今世界上冷凍人的數量已經接近 500 人,但能夠獨立實施人體冷凍的機構只有 4 家,分別是美國的阿爾科生命延續基金(Alcor Life Extension Foundation)及人體冷凍研究所(Cryonics Institute)、俄羅斯的 KrioRus 和中國的山東豐銀生命科學研究院。其中人體冷凍研究所是由「人體冷凍之父」艾丁格博士創立,而阿爾科生命延續基金會中保存著全世界第一個被冷凍保存的人詹姆斯.貝德福(James Bedford)的身體。

按照計畫,貝德福本應該在進入冷凍狀態 50 年後,也就是 2017 年被喚醒,但阿爾科生命延續基金會至今並未行動。

一方面,我們可能仍未對喚醒冷凍人在技術上做好準備;另一方面,據傳聞,貝德福當年所使用的冷凍保護劑似乎對人體傷害甚大,也就是說,就算技術完備,貝德福是否能夠醒來也十分不好說。

人體冷凍很貴嗎?

進行人體冷凍的費用倒是並沒有想像中那麼高昂,以這幾家機構中收費最高的阿爾科生命延續基金會在 2017 年的報價為例,進行全身冷凍的費用約為 20 萬美元,還有一個更便宜並且更具有科幻意味的選擇——單獨冷凍頭部,僅需 8 萬美元。不過,在現有的技術手段之下,選擇人體冷凍,比起「追求永生」和「無限可能」,更像是在參與一場結果未知的科學實驗。

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當然,技術仍然不斷進步,關於人體冷凍的最新進展似乎為貝德福以及其他被凝固在液氮罐中的人們帶來了一些希望:據報導,2020 年 12 月,一個在液氮罐中沉眠了 27 年的胚胎被取出植入一位母體的子宮,並分娩出一名健康的女嬰。

如果有一天,我們真的像艾丁格博士所說的那樣,打破生與死的邊界,獲得「永生」之時,生命是否也就失去了很多意義?

——本文摘自《真的假的!奇怪知識又增加了:自說自話的總裁顛覆認知的科學奇想》,2023 年 7 月,好出版,未經同意請勿轉載。

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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.
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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