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科學家利用加速演化法產生防禦神經毒氣的酵素

peregrine
・2011/03/20 ・1699字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 623 ・十年級

防禦神經毒氣攻擊是全球諸多國家防禦體系的重要一環。神經毒氣被軍隊及恐怖組織所使用,因而對軍人及平民皆構成威脅。不過,現有對付神經毒氣的藥物解決方案,效能皆有限。

由以色列魏茲曼科學研究所(the Weizmann Institute of Science)多個學科組成的科學家團隊成功研發了一種酵素,能在此類有機磷神經毒劑(organophosphorus nerve agents)對神經及肌肉造成損傷前,有效將其分解。他們的研發結果發表於《自然化學生物學》(Nature Chemical Biology)期刊。最近於美國軍方實驗室(USAMRICD:美國陸軍化學防禦醫學研究所)進行的諸多實驗業已證實,將極少量的上述酵素注入動物中,能防禦目前療法效果有限的某些類型的神經毒劑。

神經毒劑會擾亂神經與肌肉間傳遞的化學信息,造成肌肉失去控制,而最後導致窒息死亡。神經毒劑會干擾負責分解化學信使(乙酰膽鹼(acetylcholine))之乙酰膽鹼酯酶(acetylcholinesterase)的活性。結果,乙酰膽鹼持續發揮效應,而導致全身肌肉不斷攣縮。

其實有若干藥物被用來治療神經毒劑中毒病例。雖然曝露於小劑量的神經毒劑時,此些藥物有點療效,不過面對高劑量的曝露時,還是無法提供防禦。此些藥物並非對所有類型的神經毒劑皆有效,且會引發嚴重副作用。它們既無法預防也無法修復,因神經毒劑造成之大腦及運動神經的損傷。

上述問題的理想解決方法,是在神經毒劑干擾乙酰膽鹼酯酶之前,使用加速化學反應的酵素來逮住並加以分解,從而防止損傷。不過,此構想所面臨的主要實現障礙在於,神經毒劑是種人造物質,因而演化上尚未發展出能執行此任務的天然酵素。

先前,科學家們已成功確認了能分解類似物質的酵素,不過此些酵素的缺點是效能很低。因而,為了分解神經毒劑,需要大量的該種酵素,這造成使用上變得不切實際。

這是魏茲曼科學研究所生物化學系教授Dan Tawfik感興趣的核心所在。Tawfik的團隊研發了一種特殊方法,可於試管中人工誘發自然精選酵素。這使得他們能設計出量身訂製的酵素。

上述方法是在酵素中導入諸多突變作為基礎,為了確認那些展現經改善效能的酵素,必須對產生的各種突變型酵素進行篩選。之後為了更高的效能,此些經改善的酵素必需進一步經受多次突變與精選。於先前的研究中,Tawfik證實,此方法能藉由數百甚至數千種因素來改善酵素的效能。

為了當前的研究工作,Tawfik選擇了一種在實驗室中已被廣泛研究過,通稱為PON1的酵素。該於人體中被自然發現的酵素,主要角色是分解積聚於血管壁上經氧化的脂肪產物,從而防止動脈粥樣硬化症的發生。然而,PON1似乎也有點具兼差者(moonlighter)的身份,因為也被發現能降解屬神經毒劑族的化合物。

不管怎樣,由於該活性尚未透過自然淘汰而徹底演變演化過,因而執行上述工作上的效能依然很低。不過,藉由引導的演化方法,科學家們期盼能將此隨機兼差的活性,演變成PON1比先前更快速且更有效能的日常主工作。

於第一階段,Tawfik及其包括研究員Moshe Goldsmith博士及博士後學生Rinkoo Devi Gupta博士的團隊於PON1中,以隨機及在關鍵處所的方式誘發諸多突變。為了確認最有效能的PON1突變體,此些科學家與結構生物系的Yacov Ashani合作。

此些科學家研發的方法,徹底模仿了曝露於神經毒劑時,在人體中發生的事:他們將乙酰膽鹼酯酶及想測試的特定突變型PON1酵素一起置於試管中,而後添加少量的神經毒劑。於諸多事例中,乙酰膽鹼酯酶持續適當地起作用,因而能斷言,在神經毒劑能對乙酰膽鹼酯酶造成損傷前,此些PON1已迅速降解了神經毒劑。

在多次篩選之後,此些科學家成功確認了諸多具活性的突變酵素,此些酵素在索曼(soman:甲氟磷酸異己脂)及環沙林(cyclosarin:甲氟磷酸異丙脂)等神經毒劑對乙酰膽鹼酯酶造成任何損傷前,能有效地加以分解。一支來自結構生物系的科學家團隊(包括Joel Sussman、Israel Silman教授及研究生Moshe Ben-David)已進行了此些突變酵素的結構分析。進一步的實驗業已證實,在曝露於上述兩種神經毒劑之前,此些酵素被施予作為預防性治療,甚至當曝露於極高劑量時,也能為動物提供近乎完全的防禦。

此些科學家計劃進一步擴大範圍,並研發能提供防禦現有各類型神經毒劑的預防性療法。目前,他們也試圖研發能極迅速分解神經毒劑的高效能酵素,以便在曝露後,能藉由立即注射來防止神經毒劑的致命後果。

原文網址:Weizmann Institute Scientists used Accelerated Evolution to Develop: Enzymes that Provide Protection Against Nerve Gas
翻譯:peregrine | 本文轉載自PEREGRINE科學點滴

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什麼是「造父變星」?標準燭光如何幫助人類量測天體距離?——天文學中的距離(四)

CASE PRESS_96
・2021/10/22 ・3033字 ・閱讀時間約 6 分鐘
  • 撰文|許世穎

「造父」是周穆王的專屬司機,也是現在「趙」姓的始祖。以它為名的「造父變星」則是標準燭光的一種,讓我們可以量測外星系的距離。這幫助哈柏發現了宇宙膨脹,大大開拓了人們對宇宙的視野。然而發現這件事情的天文學家勒梅特卻沒有獲得她該有的榮譽。

宇宙中的距離指引:標準燭光

經過了三篇文章的鋪陳以後,我們終於要離開銀河系,開始量測銀河系以外的星系距離。在前作<天有多大?宇宙中的距離(3)—「人口普查」>中,介紹了距離和亮度的關係。想像一支燃燒中、正在發光的蠟燭。距離愈遠,發出來的光照射到的範圍就愈大,看起來就會愈暗。

我們把「所有發射出來的光」稱為「光度」,而用「亮度」來描述實際上看到的亮暗程度,而它們之間的關係就是平方反比。一旦我們知道一支蠟燭的光度,再搭配我們看到的亮度,很自然地就可以推算出這支蠟燭所在區域的距離。

舉例來說,我們可以在台北望遠鏡觀測金門上的某支路燈亮度。如果能夠找到到那支路燈的規格書,得知這支路燈的光度,就可以用亮度、光度來得到這支路燈的距離。如果英國倫敦也安裝了這支路燈,那我們也可以用一樣的方法來得知倫敦離我們有多遠。

我們把「知道光度的天體」稱為「標準燭光(Standard Candle)」。可是下一個問題馬上就來了:我們哪知道誰是標準燭光啊?經過許多的研究、推論、歸納、計算等方法,我們還是可以去「猜」出一些標準燭光的候選。接下來,我們就來實際認識一個最著名的標準燭光吧!

「造父」與「造父變星」

「造父」是中國的星官之一。傳說中,「造父」原本是五帝之一「顓頊」的後代。根據《史記‧本紀‧秦本紀》記載:造父很會駕車,因此當了西周天子周穆王的專屬司機。後來徐偃王叛亂,造父駕車載周穆王火速回城平亂。平亂後,周穆王把「趙城」(現在的中國山西省洪洞縣一帶)封給造父,而後造父就把他的姓氏就從本來地「嬴」改成了「趙」。因此,造父可是趙姓的始祖呢!(《史記‧本紀‧秦本紀》:造父以善御幸於周繆王……徐偃王作亂,造父為繆王御,長驅歸周,一日千里以救亂。繆王以趙城封造父,造父族由此為趙氏。)

圖一:危宿敦煌星圖。造父在最上方。圖片來源/參考資料 2

回到星官「造父」上。造父是「北方七宿」中「危宿」的一員(圖一),位於西洋星座中的「仙王座(Cepheus)」。一共有五顆恆星(造父一到造父五),清代的星表《儀象考成》又加了另外五顆(造父增一到造父增五)。[3]

英籍荷蘭裔天文學家約翰‧古德利克(John Goodricke,1764-1786)幼年因為發燒而失聰,也無法說話。1784 年古德利克(John Goodricke,1764-1786)發現「造父一」的光度會變化,代表它是一顆「變星(Variable)」。2 年後,年僅 22 歲的他就當選了英國皇家學會的會員。卻在 2 週後就就不幸因病去世。[4]

造父一這顆變星的星等在 3.48 至 4.73 間週期性地變化,變化週期大約是 5.36 天(圖二)。經由後人持續的觀測,發現了更多不同的變星。其中一群變星的性質(週期、光譜類型、質量……等)與造父一接近,因此將這一類變星統稱為「造父變星(Cepheid Variable)」。[5]

圖二:造父一的亮度變化圖。橫軸可以看成時間,縱軸可以看成亮度。圖片來源:ThomasK Vbg [5]

勒維特定律:週光關係

時間接著來到 1893 年,年僅 25 歲的亨麗埃塔‧勒維特(Henrietta Leavitt,1868-1921)她在哈佛大學天文台的工作。當時的哈佛天文台台長愛德華‧皮克林(Edward Pickering,1846-1919)為了減少人事開銷,將負責計算的男性職員換成了女性(當時的薪資只有男性的一半)。[6]

這些「哈佛計算員(Harvard computers)」(圖三)的工作就是將已經拍攝好的感光板拿來分析、計算、紀錄等。這些計算員們在狹小的空間中分析龐大的天文數據,然而薪資卻比當時一般文書工作來的低。以勒維特來說,她的薪資是時薪 0.3 美元。順帶一提,這相當於現在時薪 9 美元左右,約略是台灣最低時薪的 1.5 倍。[6][7][8]

圖三:哈佛計算員。左三為勒維特。圖片來源:參考資料 9

勒維特接到的目標是「變星」,工作就是量測、記錄那些感光板上變星的亮度 。她在麥哲倫星雲中標示了上千個變星,包含了 47 顆造父變星。從這些造父變星的數據中她注意到:這些造父變星的亮度變化週期與它們的平均亮度有關!愈亮的造父變星,變化的週期就愈久。麥哲倫星雲離地球的距離並不遠,可以利用視差法量測出距離。用距離把亮度還原成光度以後,就能得到一個「光度與週期」的關係(圖四),稱為「週光關係(Period-luminosity relation)」,又稱為「勒維特定律(Leavitt’s Law)」。藉由週光關係,搭配觀測到的造父變星變化週期,就能得知它的平均光度,能把它當作一支標準燭光![6][8][10]

圖四:造父變星的週光關係。縱軸為平均光度,橫軸是週期。光度愈大,週期就愈久。圖片來源:NASA [11]

從「造父變星」與「宇宙膨脹」

發現造父變星的週光關係的數年後,埃德溫‧哈柏(Edwin Hubble,1889-1953)就在 M31 仙女座大星系中也發現了造父變星(圖五)。數個世紀以來,人們普遍認為 M31 只是銀河系中的一個天體。但在哈柏觀測造父變星之後才發現, M31 的距離遠遠遠遠超出銀河系的大小,最終確認了 M31 是一個獨立於銀河系之外的星系,也更進一步開拓了人類對宇宙尺度的想像。後來哈柏利用造父變星,得到了愈來愈多、愈來愈遠的星系距離。發現距離我們愈遠的星系,就以愈快的速度遠離我們。從中得到了「宇宙膨脹」的結論。[10]

圖五:M31 仙女座大星系裡的造父變星亮度隨時間改變。圖片來源:NASA/ESA/STSci/AURA/Hubble Heritage Team [1]

造父變星作為量測銀河系外星系距離的重要工具,然而勒維特卻沒有獲得該有的榮耀與待遇。當時的週光關係甚至是時任天文台的台長自己掛名發表的,而勒維特只作為一個「負責準備工作」的角色出現在該論文的第一句話。哈柏自己曾數度表示勒維特應受頒諾貝爾獎。1925 年,諾貝爾獎的評選委員之一打算將她列入提名,才得知勒維特已經因為癌症逝世了三年,由於諾貝爾獎原則上不會頒給逝世的學者,勒維特再也無法獲得這個該屬於她的殊榮。[12]

本系列其它文章:

天有多大?宇宙中的距離(1)—從地球到太陽
天有多大?宇宙中的距離(2)—從太陽到鄰近恆星
天有多大?宇宙中的距離(3)—「人口普查」
天有多大?宇宙中的距離(4)—造父變星

參考資料:

[1] Astronomy / Meet Henrietta Leavitt, the woman who gave us a universal ruler
[2] wiki / 危宿敦煌星圖
[3] wiki / 造父 (星官)
[4] wiki / John Goodricke
[5] wiki / Classical Cepheid variable
[6] wiki / Henrietta Swan Leavitt
[7] Inflation Calculator
[8] aavso / Henrietta Leavitt – Celebrating the Forgotten Astronomer
[9] wiki / Harvard Computers
[10] wiki / Period-luminosity relation
[11] Universe Today / What are Cepheid Variables?
[12] Mile Markers to the Galaxies

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CASE的全名是 Center for the Advancement of Science Education,也就是台灣大學科學教育發展中心。創立於2008年10月,成立的宗旨是透過台大的自然科學學術資源,奠立全國基礎科學教育的優質文化與環境。
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