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肌肉肝醣的多寡,決定耐力體能的好壞:認識運動關鍵營養成分「醣類」

社團法人台灣國際生命科學會_96
・2020/01/07 ・2501字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 582 ・九年級

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  • 作者/郭家驊,台北市立大學體育學院院長

研究顯示:耐力體能好的人,死亡率較低,而影響耐力體能的因素有哪些呢?本期 ILSI Taiwan 專欄邀請台北市立大學體育學院院長郭家驊特聘教授撰文,解析運動關鍵營養成分──「醣」,並一步步串聯起它與「肌肉肝醣」、「耐力體能」、「死亡率」之間的層層關聯,最後提出能增加肝醣儲存、改善身材的具體建議。如此生活化的精彩內容,千萬別錯過!

運動關鍵營養成分—「醣」,與「肌肉肝醣」、「耐力體能」、「死亡率」之間的具有高度關聯性。圖片來源:Pornsawan Sangmanee

耐力體能好,存活機率高 

國際著名的醫學期刊《美國醫學會雜誌》( The Journal of the American Medical Association, JAMA ) 早期的大樣本研究結果顯示,人體運動耐力的好壞可以預測未來的存活機率。

此研究設計為每五年測量一次受試者的耐力體能,發現未來死亡率由低到高的群體依序為:維持好耐力者、耐力退化後恢復者、兩次檢測耐力皆較差者,無論是 20-40 歲、 40-50 歲、 50-60 歲到 60 歲以上等不同年齡的群體均呈現一致的結果,死亡風險的差距可由 4 倍(60 歲以上)到 10 倍(20-40 歲)。

而決定耐力體能的兩大營養因素為:水分肌肉肝醣,本文僅討論後者。

肌肉肝醣的多寡,決定耐力體能的好壞

人體肌肉在安靜狀態下主要以消耗脂肪組織的「脂肪」為主,而在運動過程中肌肉則以大量消耗「三磷酸腺苷( adenosine triphosphate, 以下簡稱 ATP )」為主。支撐 ATP 快速生產的能源主要來自於肌肉內儲存的肝醣 ( glycogen ),雖然血糖也會在肌肉快速收縮時加速滲入肌肉內,但細胞膜轉運過程較慢,仍緩不濟急。

肝醣的優勢在於它已儲存在細胞內部,當氧氣還來不及進入肌肉時,肝醣便可迅速分解為葡萄糖,透過無氧代謝快速釋放能量,以維持肌肉內 ATP 濃度恆定,使肌肉在高速挑戰下仍可正常運作。相對的,脂肪無法在缺乏氧氣時分解,因此只能作為人體安靜狀態下的主要能源。在進行超過 1 分鐘的最大負荷高強度運動時,肌肉肝醣決定了耐力體能的好壞。

澱粉:補充肌肉肝醣的最佳來源

人體肝醣的結構與植物中的澱粉註1類似,都是由葡萄糖所構成。因此,要使運動後迅速恢復肌肉肝醣的最佳方法就是攝取澱粉。運動後要迅速恢復肌肉肝醣,澱粉比果糖的效果更好。由於肌肉對果糖的吸收運轉機制較弱,飲食攝取的果糖大部分被肝臟吸收,果糖對肌肉肝醣儲存的貢獻極小,故大多數市面上買到的果糖飲料並非補充肌肉肝醣的最佳來源。

高強度運動:促進肌肉儲存肝醣的能力

運動挑戰會使肌肉產生適應能力,即消耗肝醣能提高肌肉肝醣的儲存能力,對某些人而言,運動 2-3 天後的肌肉可增加 2 倍的肝醣儲存量。在飯後胰島素正常分泌的狀態下,人體內 85 %的葡萄糖會儲存到肌肉組織。因此,肌肉儲存醣的能力愈好,血糖控制的能力也愈佳。

一般休息、做家事,以及走路等相對靜態的活動對於肌肉肝醣的消耗可說是微乎其微。這些微量活動的過程,由於氧氣供應充足,肌肉主要消耗血液中來自脂肪組織的脂肪酸。因此,若要增加人體飯後的葡萄糖儲存空間以降低血糖,須要仰賴高強度運動,當挑戰的肌肉群愈多、強度愈高,將愈能避免飯後碳資源被儲存到肌肉以外的位置,如:脂肪組織與肝臟等,可達到「增加控制血糖能力」與「避免腹腰部肥胖」雙重目的。

「醣類/蛋白質的攝取比例」會影響壽命?

「高澱粉、低蛋白」的飲食習慣是沖繩居民長壽的秘訣。圖片來源:Blue Zones-Okinawa, Japan

醣類攝取的多寡是否會影響壽命?較有名的研究來自於百年人瑞比例極高的日本沖繩,當地人大多採取高澱粉、低蛋白的飲食模式。有趣的是,如果沖繩人移居日本本島生活,其原先心臟病與代謝症候群的保護效果便消失。在知名的動物隨機介入研究 ( Geometric Framework for Nutrition ) 也發現類似的證據,即獲得「高澱粉、低蛋白」飲食介入的動物壽命最長。

人體研究目前的主要限制在於,完全沒有隨機分組研究報告 ( Randomized control trial ) 能證明醣類(即澱粉類)攝取的比例是否會影響壽命,現有的人體研究證據多是以做完飲食問卷後進行分組,觀察各組在一段時間後的死亡率。

由於飲食攝取偏好也與許多其他影響死亡率的行為,如:教育水準、吸菸、家庭等具有高度相關,故不是最完美的科學證據。此外,追蹤時間不夠長的研究(小於 15 年),預測死亡率有效度將大打折扣,無法產生因果關係,不適合當成好的飲食建議依據。

目前只能說在觀察時間較長的研究中,高澱粉、低蛋白的飲食可能對處於體重慢速上升的年輕人與中年人是較好的選擇;至於過了 65 歲後體重開始下降的高齡者,若蛋白質攝取比例較高,未來死亡率則較低。但需注意的是,高澱粉飲食須搭配足夠強度的規律運動,如果每天採取高澱粉飲食卻不運動,則容易產生肥胖。

飲食須搭配適度的規律運動,才能達到健康與維持體重的功效。圖片來源:Lifestock, IPTC Photo Metadata

運動後盡快用餐,擁有肝醣儲存、改善身材雙重效果!

耐力體能為預測未來死亡機率的重要指標,而肌肉肝醣儲存的多寡會直接影響高強度耐力運動能持續多久(即耐力體能的好壞)。運動後迅速回補肌肉肝醣主要的食物來源為澱粉,是人類的重要主食,也是最能誘發胰島素分泌的營養源。

養成運動習慣,可使得這個合成機制移向受挑戰的肌肉組織,使肌肉組織能儲存較多的肝醣與蛋白質,同時使得其他組織,如:脂肪組織與肝臟的能源儲存相對減少,達到身材改變的效果。建議主餐前可先進行消耗肌肉肝醣的高強度運動,運動完及早用餐,儘量不拖延,若拖延用餐時間,增加肝醣儲存、改善身材的兩大效果將大打折扣。

註解

  1. 澱粉:為食物成分,最佳食物來源是「全穀雜糧」。
  • 本文轉載自 ILSI Taiwan-2019年第8期《醣—運動關鍵營養成分》,歡迎喜歡這篇文章的朋友訂閱支持 ILSI Taiwan 喔!
  • 作者/郭家驊│特聘教授
    美國奧斯汀德州大學運動營養學博士,現任台北市立大學體育學院院長、台灣運動營養學會理事長。研究領域為運動營養學、運動與肥胖專論、運動與新陳代謝等。
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社團法人台灣國際生命科學會_96
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創會於2013年,這是一個同時能讓產業界、學術界和公領域積極交流合作及凝聚共識的平台。期望基於科學實證,探討營養、食品安全、毒理學、風險評估以及環境的議題,尋求最佳的科學解決方法,以共創全民安心的飲食環境。欲進一步了解,請至:ww.ilsitaiwan.org

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假裝世界永遠滑稽:幽默比較長壽?——《怪咖心理學》
azothbooks_96
・2023/03/16 ・3731字 ・閱讀時間約 7 分鐘

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受試者看完令人不安的電影後,血液循環降低 35%,但看完幽默題材後則增加 22%。根據研究的結果,研究人員建議大家每天至少笑十五分鐘。

憂傷小丑?喜劇演員的心理特質

1981 年,紐約州立大學雪城分校的心理分析師西摩爾.費雪(Seymour Fisher)若達.費雪(Rhoda Fisher)發表研究結果,他們並不支持傑納斯所謂「喜劇演員是憂傷小丑」的說法(編按:許多人認為喜劇演員得在舞台前、舞台後承受高度的壓力,不管他們現實生活中發生什麼事,總得每晚登台作秀製造效果,有些演員甚至因此受憂鬱症、躁鬱症所苦,也因此大眾對喜劇演員往往有「喜劇演員其實是憂傷小丑」的印象)。

費雪兄弟進行廣泛的調查,研究四十多位知名的喜劇演員與小丑,包括席德.西薩(Sid Caesar)、傑奇.梅森(Jackie Mason)、小丑布林可(Blinko the Clown),並出版《假裝世界永遠滑稽》(Pretend the World Is Funny and Forever )一書發表他們的研究。

他們在研究中做了一個經典的佛洛伊德測試:羅夏克墨漬測驗。他們請受試者看模糊的墨漬,說出他們想起什麼。學術研究中時常用到這類測試,甚至有一個知名的佛洛伊德笑話也以此為主題:

一名男子去看心理分析師,分析師拿出一疊印有墨漬的卡片,讓男子一次看一張,問他墨漬讓他想起什麼,男子看了第一個墨漬後說:「性」,看到第二個墨漬後又說:「性」。事實上,他看到每一張卡片都說:「性」。心理分析師憂心地說:「我不是想嚇你,但你似乎滿腦子都是性。」那男子驚訝地回答:「我真不敢相信你剛剛說的,擁有整疊色情卡片的可是你。」

羅夏克墨漬測驗,又稱墨跡測驗,是知名的人格測驗之一。受試者收到十張上頭有墨漬的卡片,並被要求回答他們最初認為卡片看起來像什麼、以及後來覺得像什麼。心理學家再根據他們的回答及統計數據,判斷受試者的人格還有狀態。

多數測試是在餐廳與馬戲團的更衣室進行,費雪兄弟表示,這些測試往往很難進行,因為旁人和其他表演者常打斷他們。費雪兄弟的研究和一般人對「憂傷小丑」的印象及傑納斯之前的研究結果剛好相反,他們發現喜劇演員與小丑鮮少有精神疾病。專業喜劇演員的工作雖然充滿壓力,但費雪兄弟意外發現,這些受訪者都能迅速恢復元氣,調適力都很好。

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被接納的需求

另一方面,費雪兄弟也檢視喜劇演員與小丑的童年經驗,他們說受訪者大多從小就開始走這一行,小時候通常是班上的活寶。他們常開老師的玩笑,這點也符合幽默的「優越」論。有一位表演者記得老師叫他到黑板拼「petroleum(石油)」一字,他馬上走到前面,拿起粉筆寫下「oil」。

專業喜劇演員通常出生低收入戶,童年不是過得很好,所以他們的表演可能是想獲得觀眾的喜愛,藉此彌補童年的缺憾,有很多實際證據支持這點。伍迪.艾倫曾說「被接納的需求」是他想要變得風趣的主要動力之一。傑克.班尼(Jack Benny)不喜歡在古巴度假,因為那裡沒人認得他。W.C. 菲爾茲(W.C. Fields)曾經提到他喜歡讓人發笑是因為「⋯⋯至少在那短暫的時刻裡,大家是愛我的。」

是喜劇演員也是社會學家

費雪兄弟研究的第三方面是檢視與好笑有關的心理特質,有些演員坦承他們對人與行為很好奇,他們會不斷觀察別人的生活細節,直到發現一些小特質可以拿來當新的笑話或表演題材為止。

費雪兄弟發現喜劇演員與社會科學家有很多相似處,他們認為這兩種人都時常注意人類行為的新鮮面,唯一的差異在於喜劇演員用這些觀察讓人發笑,社會科學家則是以這些觀察做為學術論文的基礎。我畢生都在研讀社會科學家的文獻,所以我想主張這種分法並無法清楚區隔這兩種人。

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Waist up portrait of mature man giving speech standing on stage in spotlight and speaking to microphone, copy space

費雪兄弟也檢視喜劇與不安之間的關係,一般人看到墨漬時,通常會看到一個影像,然後才發現墨漬可能有不同的觀察方式。

仔細分析喜劇演員從墨漬中看到的圖案後,費雪兄弟的結論是,他們的受試者常會把墨漬想像成「好的怪獸」,把有威脅感的圖案轉變成比較親切的感覺。「噴火龍」會變成被誤解的高貴角色,「骯髒的土狼」會變成可愛討喜的寵物。費雪兄弟認為這是喜劇演員與小丑在無意間想要以幽默感因應困境的證明。

幽默的長壽

很多人都曾經對喜劇根本上和憂傷與精神病有關的說法提出質疑,費雪兄弟並不是唯一的學者。佛羅里達國際大學的詹姆斯.羅頓(James Rotton)深入探討霍夫曼(Hoffman)的《過往娛樂名人》(Entertainment Personalities of the Past),了解知名喜劇演員的出生與死亡年份,並以同年出生的非喜劇藝人當對照組註一

羅頓在名為〈幽默與長壽:搞笑演員較長壽?〉(Trait Humor and Longevity: Do Comics Have the Last Laugh?)的論文中說明研究的結果,他主張喜劇演員和其他藝人的死亡年齡差不多。後續關於喜劇演員死因的研究註二也顯示,他們並沒有比較常因心臟病、癌症、肺炎、意外或自殺而身亡。

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總之,沒有證據顯示每晚必須搞笑演出的明顯壓力會讓他們比較短命。

其他研究顯示,能夠笑看人生可以減少不安,羅頓的研究也呼應了這點。如果喜劇真的有影響,那麼就是有益健康。十三世紀的亨利.德.曼德維爾醫生(Henri de Mondeville)推測笑有助於病人康復,他寫道:「外科醫生應該禁止病人生氣、怨恨與難過,提醒病人歡樂可以讓人心寬體胖,哀傷讓人瘦骨如柴。」

幾百年後,莎士比亞也呼應同樣的理念,他表示:「讓內心充滿歡笑與喜樂,可以遠離傷害,延年益壽。」

最近有一項研究也支持笑聲、因應壓力、身心健康之間的關係。該項研究顯示,會很自然地以幽默應付壓力的人,免疫系統比較健康,心臟病發與中風的機率也少 40%,看牙時比較不會痛苦,壽命也比多數人多四年半。

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1990 年,研究人員發現觀賞比爾.寇斯比(Bill Cosby)的脫口秀錄影帶可增加唾液的免疫球蛋白 A。免疫球蛋白 A 是避免上呼吸道感染的要角(受試者聆聽梅爾.布魯克斯〔Mel Brooks〕與卡爾.萊納〔Carl Reiner〕的經典《兩千歲的人》〔2000-Year-Old-Man 〕時,這些優點明顯下降)

這不是唯一探討笑對身體有何影響的研究。2005 年,馬里蘭大學的邁可.米勒(Michael Miller)與同事研究笑看世界與血管內壁的關係。血管擴張時,可促進血液循環,有益心血管。他們讓受試者看可能讓他們感到不安(例如《搶救雷恩大兵》最初三十分鐘的劇情)或歡笑(《當哈利碰上莎莉》的「假高潮」戲)的電影。整體而言,受試者看完令人不安的電影後,血液循環降低 35%,但看完幽默題材後則增加 22%。根據研究的結果,研究人員建議大家每天至少笑十五分鐘。

根據研究的結果,研究人員建議大家每天至少笑十五分鐘。圖/envato

天然的止痛劑

羅頓也依循同樣的邏輯,檢視觀賞不同影片對整型外科病患的復原有何影響。他請一組病患從《香蕉》(Bananas)、《站在子彈上的男人》(Naked Gun)、《金牌製作人》(The Producers)等等喜劇片中挑選,但不讓另一組看任何可能讓他們微笑的影片,而是叫他們從《南海天堂》(Brigadoon)、《北非諜影》(Casablanca)、《第七號情報員》(Dr. No)等「嚴肅」片單中選片。研究人員秘密追蹤病患由自控式裝置中使用的止痛劑藥量。觀賞喜劇的人使用的藥量比觀賞嚴肅電影者少 60%。

在另一個有趣的實驗中,研究人員又找另一組病患,不讓他們任選喜劇片,而是叫他們看別人幫他們挑的影片,這組使用的止痛劑比另外兩組都多,這證明觀賞讓你笑不出來的喜劇比什麼都還痛苦。

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笑看生死

最後,有一群研究人員要求受試者立下模擬遺囑,開自己的死亡證明(包括估計的死亡日期與死因),寫自己的喪禮追悼文,研究人員發現喜歡笑看人生的人比較不覺得這有多難。在比較實際的情境中,也出現同樣的現象。輔導員訪問失去伴侶半年的人,發現能笑看生離死別的人比較能接受那個情境,繼續過日子。

不過,就像笑話實驗室收到的一則笑話所說的,笑看生死也有可能出現太誇張的情況:

一名男子過世了,他的太太打電話到當地報社說:「我想刊登以下的訃聞:柏尼死了。」報社員工楞了半响後說:「其實刊登十個字的價格是一樣的。」

女士回答:「喔,好吧,那我刊登:柏尼死了,豐田汽車出售。」

註解

  1. 羅頓的報告只研究男性喜劇演員,因為他發現很多女性喜劇演員的年齡並不可靠,與其他傳記資料不符,這很可能是一種喜劇的時間心理學。
  2. 此研究蒐集 1980 到 1989 年間刊登在《時代》與《新聞週刊》上的演員訃聞。

——本文摘自《怪咖心理學之史上最ㄎ一ㄤ實驗,用科學揭露你內心的真實想法》,2023 年 2 月,漫遊者文化出版,未經同意請勿轉載。

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azothbooks_96
53 篇文章 ・ 21 位粉絲
漫遊也許有原因,卻沒有目的。 漫遊者的原因就是自由。文學、人文、藝術、商業、學習、生活雜學,以及問題解決的實用學,這些都是「漫遊者」的範疇,「漫遊者」希望在其中找到未來的閱讀形式,尋找新的面貌,為出版文化找尋新風景。

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過重、過輕都會影響身體——健康減重、增肌減脂好處多!
careonline_96
・2023/02/21 ・1809字 ・閱讀時間約 3 分鐘

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體重過輕可能造成哪些問題

以目前的標準,會建議 BMI 控制在 18.5 至 24。當體重過輕的時候,基本上身體裡面的一些營養素,就會開始吸收不夠。吃得不夠,就很容易造成一些貧血的問題;刻意不吃的時候,吸收也會變差,間接引起營養不良的問題,很常會開始這裡不舒服、那裡不舒服,甚至像是突然間暈厥,就是極度的營養不良;再來是我們在給予自己這麼大壓力的時候,刻意去減重的情況下,會引起一些生理跟心理的問題。

當過輕時,很常會肌肉不足,之後骨質流失開始加快;很常聽到 20 幾歲的人跌倒之後就骨折,其實就是骨質疏鬆,可是並不知道,因為我們還很年輕。

如何健康減重

目標要設實際一點,而且是可以達到的一些目標。比如可以設定一個禮拜內,要讓體重下降的正常合理範圍是 0.5 公斤,也就是一個月減重不應該超過 2 公斤;以這個為目標去設定一天可以攝取的熱量,很多人都會建議女生吃 1200 大卡至 1500 大卡,男生吃 1500 大卡至 1800 大卡,如果有在運動可以設更高一點。

很簡單地去想要吃得健康一點,巨量的營養包含醣質、蛋白質,還有脂質,就盡量吃原型的食物,去攝取足夠的蛋白質,在過程當中吃足夠的纖維質,比如像蔬菜,最後再去吃澱粉。

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增肌減脂有哪些好處

如果有在進行減脂的過程去抽血,就會發現其實我們的 LDL 會下降、HDL 會上升,三酸甘油脂也會下降,其實這就是反應了一個很健康的生活型態。

增肌有非常多的好處,而且是很生活化的好處。比如像老人家要去上廁所,很多時候意外都是發生在廁所;因為蹲下去、坐在馬桶上面之後,要起來時沒有力氣、平衡感又不好的情況下,就會很容易跌倒,發生很多不幸的一些意外。

我們的肌肉量會影響到肌力和肌耐力,就會間接影響到有沒有辦法去執行日常生活中需要做的事情。

減重過程中的飲食要如何安排

一個大原則是每一餐吃拳頭大的澱粉,不管是白飯、糙米飯,還是地瓜,吃一份的澱粉,就要吃兩份的蔬菜,盡量吃到兩份的蛋白質;以這種攝取方法,其實都可以吃得非常飽,而且非常滿足,身體就會得到它所需要的巨量及微量營養素。

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我自己很推崇的地中海型飲食,它不單單是一個飲食法,它是一個生活的模式。建議你吃很健康的食物,多吃海鮮、少吃一些飽合脂肪酸的東西,像紅肉;盡量吃乾淨,調味的部分就是避開重油、重鹽。

鼓勵多去跟人互動、多去戶外活動,基本上我們要先回到原點,肥胖本身是一個慢性生活型態的結果,所以要正視問題,先認識自己的身體,是在哪一個環節慢慢出錯,然後去做修正;什麼飲食法適合自己?這需要一段時間去探索、去調適,我相信沒有一個絕對對的飲食法,也沒有一個飲食法是適合全部人。

除了體重之外,還需要注意哪些指標

除了體重、BMI 以外,我們會去量腰圍,男性腰圍盡量要小於 90 公分,女性腰圍小於 80 公分。腰圍反應著你的中段有沒有囤積很大量的脂肪;當身體的中段在囤積脂肪的時候,就代表比較容易會產生一些代謝症候群。

其實最好的量測方法是一面鏡子,當在認真地減重或者增肌時,身體一定會反映出來;身體是非常誠實,體態在改變、線條在改變一定看的出來。不要被數字綁架,其實我們在運動也好、減重也好,我們就是希望可以活得健康,可以不要年紀大的時候臥床。

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最大的目標就是要活得好,不要在為了活得好的過程當中,去做傷害自己身體的事情,這也是最重要的部分。

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跨越五十年的醣化學之旅——翁啟惠院長專訪
研之有物│中央研究院_96
・2022/11/19 ・7078字 ・閱讀時間約 14 分鐘

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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。

台灣知名科學家:翁啟惠院長

如果問民眾「臺灣有哪些知名的科學家?」翁啟惠肯定是經常出現的答案。翁啟惠是國際知名醣化學家,曾擔任兩屆中央研究院院長,任期內積極將基礎科學與生醫產業串連起來。另一方面,翁啟惠也是投身研究 50 年的資深學者與好老師,共培養超過 500 位優秀弟子;他同時也是中研院、美國國家科學院的院士,更獲得沃爾夫化學獎、威爾許化學獎、四面體化學獎等榮譽。中研院「研之有物」專訪院內基因體研究中心合聘特聘研究員翁啟惠院士,向讀者介紹他一路走來的心路歷程。

圖│研之有物(資料來源|翁啟惠)

從臺大、中研院到 MIT的化學之旅

翁啟惠學術能量依舊飽滿,他是斯克里普斯研究院(Scripps Research)與中研院合聘的研究人員,兩邊各自都有實驗室和學生,受訪當天他本人在美國加州,透過視訊與「研之有物」團隊連線。

至今已 74 歲的醣化學大師翁啟惠,他是嘉義出生的子弟,初中考上臺南一中,高中三年級本已保送清華大學化學系,不過因為想挑戰臺大醫學系而赴考,可惜生物不好,加上自己喜歡化學,便進了第二志願臺大農業化學系。大學畢業,退伍後他隨即投身於科學研究,算算日子,已經是漫長的 50 年時光。

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翁啟惠原本就喜歡研究,他退伍後跟著恩師臺大化學系王光燦教授擔任助教一年後,再跟王教授來到中研院擔任助理,當時(1972 年)正值中研院生物化學研究所草創時期。後來翁啟惠升任「助理研究員」(類似大學的講師,目前已無此職位),前後服務長達 8 年,期間於 1977 年在職獲得碩士學位,碩論主要為臺灣蛇毒蛋白的合成,是翁啟惠多年來的研究成果。

王光燦(左)帶領翁啟惠(右)進入化學的研究殿堂,圖為 1999 年王光燦的退休餐會上,翁啟惠贈與恩師紀念品。
圖│翁啟惠

儘管翁啟惠出國前已發表超過 30 篇論文,小有所成,他依然希望更上層樓,因此 1979 年前往美國的麻省理工學院深造,接受恩師化學系教授喬治·懷特賽茲(George M. Whitesides)的指導。翁啟惠回憶,自己後來教育學生的理念與作法,多源自懷特賽茲的啟發。具備相當基礎之下,翁啟惠花費 3 年取得有機化學博士學位,又經歷 1 年哈佛大學的博士後研究,1983 年他就成為德州農工大學(Texas A&M University)的助理教授。

冷門且困難的「醣化學」

翁啟惠擅長的領域是「酵素化學」與「醣化學」,醣化學是什麼呢?翁啟惠解釋,維繫生命的蛋白質、核酸、脂質、醣類這些物質,以醣類最為複雜。除了材料化學的應用之外,翁啟惠選擇探索醣分子在生物醫學方面的應用。

醣類的結構變化多端,而且不容易人工合成。而翁啟惠的過人之處,正是出色的醣類合成能力!後來讓他奠定宗師地位的一鍋式酵素合成法程式化一鍋合成法醣晶片,到最近的廣效去醣化疫苗等研究主題,都歸功於他堅強的化學合成基礎。

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我們已經知道翁啟惠是醣化學的先驅,不過其實到博士畢業前,他大部分仍著重於蛋白質的合成,直到獨當一面後,才正式投身醣類。因為在當時的學界,核酸、蛋白質才是顯學,醣化學是非常冷門的領域,即便今日也不算太熱門,更是難以想像應用於研究疾病。

因此,翁啟惠早期在美國當助理教授時,曾經無法申請到研究經費,甚至有計畫評審認為他誤入歧途,所幸他的前瞻理念於 1986 年受到美國總統年青化學家獎(Presidential Young Investigator in Chemistry)的賞識,支持他站穩腳步,1987 年升任教授,才有後來的持續突破。

使用「酵素」來合成醣類

過去醣類研究不但冷門,而且難以合成,翁啟惠為什麼有勇氣選擇如此困難的題材?他的信心來自「酵素」 ,也就是生物用來催化反應的特殊蛋白質。傳統化學手段難以合成的複雜產物,有機會利用酵素來克服。

翁啟惠提到,1970 年代分子生物學興起,新問世的基因改造潛力無窮,人造胰島素開啟生技產業的濫觴;但是 1980 年代時,化學家多半仍很少接觸基因重組技術。他算是首波使用基因重組酵素,實現醣分子的化學合成。

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翁啟惠強調,很多新聞報導說他是生物醫學或生物科技專家,但其實他本質上一直是化學家,探索分子層次的操作,研究醣分子與醣蛋白的有機合成,只是醣化學研究的應用涉及生物醫學領域,介於化學和生物的交界。

做出過人成績後,翁啟惠成為各大研究機構爭邀合作的化學人才,本來預備前往加州的史丹佛大學。不過同樣在加州的斯克里普斯研究院(Scripps Research)半途冒出,院長勒納(Richer Lerner)親自邀請他過去瞧瞧。當時擅長生醫的 Scripps 想拓展至化學領域,正在招募人才,而涉足生物的化學專家翁啟惠正是合適人選。

Scripps 研究院是世界最好的研究機構之一,只收博士生,不僅有多位諾貝爾獎得主,更培育出不計其數的人才。翁啟惠回憶,他原本也對 Scripps 研究院不熟,Scripps 當時還沒有化學部門,但沒想到相談甚歡,1989 年他受邀擔任新成立的化學系講座教授,一做就做到 2006 年。現在,Scripps 研究院在化學生物領域是全美第一。

圖│翁啟惠

Scripps 研究院不僅環境怡人,學術資源也豐沛,讓翁啟惠能專注研究,而不必為經費擔憂。如今,他再度成為 Scripps 研究院的講座教授(Chair Professor),美國講座教授會有一筆來自民間的捐助基金,有充裕的學術資源可供自由運用。翁啟惠感慨地說,臺灣的學術捐款多為建造大樓等硬體,可是支持人才更重要, 這是未來臺灣值得學習的方向。

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醣化學原本是乏人問津的領域,然而翁啟惠開創了醣分子的有機合成方法,讓醣化學逐漸受到重視,他也獲得一系列耀眼成就。翁啟惠 2002 年當選美國國家科學院的院士,接著又榮獲多項化學領域的一級大獎:2014 年得到沃爾夫獎(The Wolf Prize),2021 年是威爾許獎(Welch Award),2022 年又獲頒四面體獎(Tetrahedron Prize)。

翁啟惠近年在化學領域不斷獲獎,也讓許多人好奇,再來會是諾貝爾化學獎嗎?

對於這個問題,翁啟惠認為可遇不可求,得獎也講究機運。不過每次獲獎,他都覺得是很好的鼓勵,激勵他繼續往前走。更重要的是,翁啟惠不是單打獨鬥,每次獎項表揚的成就,背後都是整個團隊的努力,因此這些榮譽正是對他整個團隊的肯定。

教師之夢:遍布全世界的學生

說到培養人才,這也是翁啟惠的強項,可惜過去媒體報導翁啟惠時卻很少觸及教育。談論如何作育英才的心得,翁啟惠眼睛炯炯有神,隔著太平洋都能感受到湧出螢幕的教育熱情。

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翁啟惠表示他小學時就想當老師,也是一輩子的志願。看到學生有成就,就會覺得很欣慰。他至今指導過的學生與博士後超過 500 位,遍及世界各地,包含美國、日本、韓國、英國、法國、德國、比利時等國家。儘管他自嘲也不是全世界都有,像是北韓就沒有學生。

翁啟惠對教學的想法,奠基於博士班老師懷特賽茲和自己長年的實踐經驗。談到臺灣學生,他特別指出必須加強兩點訓練:獨立思考與表達能力

表達為什麼重要?試想,一個人花費多年辛苦取得學位,去應徵工作,卻只有幾分鐘能夠展現。善於表達,才能讓人覺得你的工作重要,呈現意圖以實現目標。而翁老師的第一課,總是在他與學生第一次碰面立刻開始:「為什麼找我當指導教授?」。給他滿意的回答,才能成為他的學生,成績並非最優先的考量。

翁啟惠(左1)對教學的想法,奠基於博士班老師懷特賽茲(右1)和自己長年的實踐經驗。談到臺灣學生,他特別指出必須加強兩點訓練:獨立思考與表達能力。
圖│翁啟惠

培養學生獨立思考與研究的能力

翁啟惠的指導理念是「指示不要太詳細」,讓學生自己想問題、找資料、設計實驗。他只負責給大方向、從旁協助。因為講的太過具體,反而會限制學生獨立發展的空間。

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翁啟惠更精闢地剖析: 由學生獨立完成的成果,才會認為是自己的成績。否則即使成果再好,學生也可能覺得那是老師的東西,不是自己的成就。當學生獲得成功經驗,對自己有信心,此後便能更加獨立,建立正向循環。

另一方面,由於學生有大片空白可以填補,所以想法和能力不會受到過去積習所影響。翁啟惠提到,他有很多超乎預期的重要研究,是來自學生自己的嘗試。例如,研發出自動化一鍋式合成醣分子的歐曼(Ian Ollmann),原本在博士班四年級仍苦無突破,翁啟惠建議他發揮寫程式的專長,果然順利完成發表,後來甚至還轉戰高科技龍頭蘋果公司,至今已工作超過 20 年。

不過,讓學生自己摸索,失敗怎麼辦?翁啟惠認為失敗為成功之基礎,學生經歷失敗,才能培養耐心,累積應付挫折的經驗,打下未來成功的基礎。做研究的關鍵在於興趣,只要保持興趣,失敗也能學到新東西,而成功則能增強信心,有利於繼續成功。翁啟惠也鼓勵學生,與其等待老師指導,不如勇於嘗試、放手去做。

程式化一鍋多醣合成技術示意圖。
圖│研之有物(資料來源|中研院基因體中心資訊組)

研究院院長時期:積極推動產學交流與合作

翁啟惠任職 Scripps 研究院的期間,茁壯為世界第一流學者,各國爭相合作。如此耀眼的旅外人才,自然也受到當時中研院院長李遠哲賞識,促成翁啟惠於 2003 年回到臺灣,並在 2006 年到 2016 年擔任了兩屆院長。

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翁啟惠除了提升中研院的學術水準,他最重要的任務莫過於推動生物科技產業。因為翁啟惠認為產學互利共生很重要,有好的產業才能吸收廣泛的人才,例如臺灣的半導體產業,可以讓理工科系學生不愁出路,產生正向循環。

但另一方面,生物科技已成為各個科技大國的明星產業,臺灣每年有大批醫藥、生技的人才,卻沒有相應規模的產業,無法人盡其才。

為了推動生技產業,法規制度與產學合作園區都不可或缺。翁啟惠參考美國 1980 年的拜杜法案(Bayh-Dole Act),與專家合作完成臺灣版本的法規,將產學合作、技術轉移制度化。

法規的主要精神,就是由政府補助學術研究,做出初步成果後,再技術轉移給業者尋求商業化,後續再回饋給學術形成正向循環。園區方面,國家生技研究園區、中研院南部院區,都隨著翁啟惠的規劃步上軌道,讓基礎研究和產業創新能夠連結。

當然,產學間的轉換並不總是那麼順利。不過翁啟惠認為,如果學者發表的論文成果,同時也能促進產業,讓社會一同受益更好。這倒不是說所有學者都要投入產學合作,而是要慢慢建立起產學合作的文化,將研發成果回饋給社會。

往好處看,臺灣的生技產業與產值都持續進步中,而這條路依然任重而道遠。

產學合作的新潛力

翁啟惠是純學術研究出身,為什麼後來卻相當熟悉產學合作呢?時光要回溯到 1985 年。那時翁啟惠獲頒席艾勒學者生物醫學獎(Searle Scholar Award in Biomedical Sciences)——這是他少數獲得的生醫獎項之一,加上總統年青化學家獎,使他在美國學術界站穩腳步,也讓他有擔任企業顧問的機會。

從杜邦公司開始,初出茅廬的翁啟惠自認什麼都不懂,跟著前輩們邊看邊學,解決一家又一家企業的疑難雜症,而業界的顧問經驗同時也支持著自己想做的研究。翁啟惠逐漸累積產業經驗後,發現產學目標很不一樣,學者要優先發表論文,企業則是產品導向,講究解決問題。

訪談之中,翁啟惠回顧幾件很有意思的顧問經驗。例如,有公司希望解決可樂中代糖「阿斯巴甜」(Aspartame)在高溫下產生甲醇毒素的問題。也有公司想要改良汽車外層鍍膜,避免鳥糞腐蝕。

另外還有一個香菸公司的邀請讓翁啟惠印象深刻,那時很多重度菸癮者抽到頭痛,產品只能先緊急下架,菸商損失慘重;後來查明是製菸的紙漿中存在微量有害物質,若短時間抽很多根菸,大量攝取下會有立即危害。

這些顧問工作,很多都和翁啟惠醣化學的本業無關,卻帶給他開闊的視野與企業經驗。我們也可以注意到,美國政府與產業界相當有心培育有潛力的人才,即便尚無業界經驗,也願意讓新人去嘗試擔任顧問。

翁啟惠提到,美國東岸的新英格蘭周邊,是產業歷史最悠久的地區,也分佈許多老牌大企業;西岸的加州則不同,主要是新創小公司。不同地方各有特色,衍生出多變的產學文化。

相比之下,臺灣也具備潛力,就看經營出什麼文化。翁啟惠認為,我們已經建立民主自由的社會,若要更上層樓,臺灣萬萬不可孤立,要主動與國際交流,並發展自己的特色。

有交流,創意的火花才有可能碰撞,或許那個坐在你隔壁的人,就是未來的合作夥伴!翁啟惠提到,總部位於加州聖地牙哥,以基因定序闖出名號,至今仍蓬勃發展的因美納(Illumina)公司,其共同創辦人沃特(David Walt),正是他在麻省理工學院實驗室的同儕!有次邀請沃特到 Scripps 演講,剛好聽眾中有兩位感興趣的投資者,演講結束之後,沃特便與兩位投資者私下討論,就創辦了 Illumina 公司。

醣無所不在!未解的謎題還等著研究

儘管投身學術研究 50 年,醣化學將近 40 年,翁啟惠絲毫沒有停下腳步的意思。當訪問到「醣化學還有什麼潛力?」,一如談教育時的熱情,翁啟惠又展現出科學家對研究的熱愛。

在翁啟惠眼中,醣類有太多謎團等待解答。生物基因以 DNA 承載遺傳訊息,製作蛋白質行使功能,但是時常還要加上醣的參與,偏偏醣類不像核酸、蛋白質容易摸索。醣分子無法複製,只能用化學合成,細胞表面佈滿的醣分子結構不對,功能就不同。

以抗體為例,抗體是一種醣蛋白,我們知道抗體靠著專一性辨識去附著目標,消滅病毒。相對卻少有人意識到,抗體的一端附著目標後,另一端還要連接免疫細胞轉入後續反應才能消滅病毒,這步正是依靠醣分子,因此醣類會影響抗體的免疫功能

相對的,病毒需要依賴宿主細胞以便大量複製。不同細胞會賦予蛋白質產物不同的醣化修飾。研究發現即使遺傳物質相同的病毒,假如病毒外頭的醣化修飾不同,也會影響感染能力及免疫反應。由上呼吸道細胞產生的新冠病毒,感染力就比其他細胞更強。

對於開發疫苗,翁啟惠近年投入不少心血。疫苗刺激產生的抗體講究專一性,研發者要想辦法針對病毒結構來調整抗體及 T 細胞反應。翁啟惠與研究團隊的思路卻是另闢蹊徑,並非將病毒露出來的表面設為目標,而是要去掉病毒外層的「醣」衣,也就是「去醣化疫苗」。

因為病毒暴露在外的部分會持續改變,躲避特定抗體,但是被醣基包裹的位置不太會變,或許是人體免疫記憶更好的訓練對象。以此概念製成的蛋白質或 mRNA 疫苗,若是成功,便有機會成為所謂的「廣效疫苗」,接種一款疫苗就能應付病毒的多型變化,特別是難纏多變的流感病毒、冠狀病毒(例如 SARS-CoV-2)。

新冠病毒(SARS-CoV-2)的棘蛋白上面有醣化修飾(標示為橘色),醣基包裹的位置不太容易突變,因此去除表面的醣化修飾之後,可以進一步製成廣效疫苗。
圖│研之有物(資料來源|翁啟惠、中研院基因體中心)

除此之外,翁啟惠團隊也持續開發廣效癌症疫苗。用抗體對付癌症的想法十分誘人,其難處在於,疫苗刺激產生抗體,辨識外來入侵的異物加以攻擊;但是癌細胞是人體細胞變異産生,上頭存在的成分正常細胞常常也有,設定癌細胞打擊,反而會造成自體免疫的悲劇。

好消息是,癌細胞外頭有些醣化修飾,不同於正常細胞。翁啟惠的隊伍尋獲 Globo H 等幾個醣類分子,適合作為疫苗針對的目標。相關技術已經轉移給業者,正在進行第三期人體臨床試驗。這些圍繞醣分子作文章的創新疫苗令人期待,最終是否能投入實戰,仍有待分曉。

關於醣化學,翁啟惠將持續探究細胞表面醣分子所扮演的角色,以及醣分子和疾病的關係。

給年輕學生的話:「興趣是研究的動力

翁啟惠語重心長地提到,醣化學領域如今的樣貌取決於他們這些開拓者,未來則要看能否引發年輕人的興趣,因為未來是年輕人的。

現今教育強調跨領域,翁啟惠自己無疑也是跨領域的知名化學家,但是他提醒年輕人,跨領域絕對不等於什麼都要學、都要會。基礎還是要打好,跨領域的關鍵是有能力與其他領域的人互動合作。

翁啟惠近期便以國家生技醫療產業策進會會長的角色,積極促進醫界與電子業的對話。因為醫界知道市場需求,但不懂得製造;電子業擅長製造,但是對醫療需求沒有深刻理解。他希望營造合作交流的環境,創造新的可能性。

最後,翁啟惠提醒學生,做研究一定要長期投入,深入鑽研,若是短短幾年就轉換領域,只會愈來愈迷茫。興趣對研究生涯最重要,有興趣才有動力,而興趣的培養則來自日常的自我探索。

翁啟惠建議學生在跨領域之前,基礎還是要打好,而跨領域的關鍵是有能力與其他領域的人互動合作。
圖│翁啟惠
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