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AI 預測蛋白質結構贏過科學家,科學家也要失業了?才不會呢!

PanSci_96
・2020/12/09 ・2389字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 585 ・九年級

為什麼要分析蛋白質結構?原來是為了預測功能!

19 世紀末,赫爾曼.埃米爾.費歇爾(Hermann Emil Fischer,1902 年諾貝爾化學獎得主)提出「蛋白質的立體結構(三級結構)決定其功能」後,人們開始從結構的角度去分析蛋白質功能,也發展了一系列分析蛋白質結構的方法,像是 X 光晶格繞射或是低溫電子顯微鏡。

在 20 世紀中期,克里斯蒂安.伯默爾.安芬森(Christian Boehmer Anfinsen,1972 年諾貝爾化學獎得主)透過改變蛋白質所在的環境,讓蛋白質的立體結構攤開成簡單結構(一級結構),他發現這些簡單結構在環境回到原本狀態時,會立刻摺疊成原本的立體結構,經反覆實驗,發現同一個簡單結構只會摺疊成一種立體結構,因此他推論:「蛋白質的簡單結構決定其立體結構」。

1969 年的克里斯蒂安.伯默爾.安芬森。圖/Wikipedia

克里斯蒂安的發現,指出了一條新的研究方式,只要有一條簡單的胺基酸序列,就能夠預測最終蛋白質的立體結構,並得知該蛋白質具有的功能。

各路好手匯集一堂,由 AI 突破預測困難!

克里斯蒂安的想法聽起來很簡單,但其實非常困難。我們對於簡單的一級結構如何摺疊成立體三級結構的機制,並沒有全面性的了解,只能透過某些已知三級結構的一級結構,或是物理的分子動力學,去推測新的一級結構最終會長成什麼樣的三級結構。

蛋白質 1efn 的結構,標示處為三級結構。圖/Wikipedia

因此,從 1994 年開始,舉辦「蛋白質結構預測技術的關鍵測試」(Critical Assessment of protein Structure Prediction,CASP)大賽,全世界的蛋白質結構分析好手,帶著他們對於摺疊機制的獨特見解,透過一級結構來預測三級結構。

而今年的 CASP 競賽中出現了 AI 挑戰者,是由圍棋軟體 AlphaGo 的人工智慧實驗室「DeepMind」開發的「AlphaFold」,AlphaFold 經過資料庫中 17 萬種已知蛋白質結構和 6 千萬筆胺基酸序列訓練,成功預測三分之二的三級結構,是今年 CASP 中有最高準確率的挑戰者!

AI 崛起,科學家要失業了嗎?

每次有 AI 新聞,大家就會提到 AI 取代人類,那 AlphaFold 會取代科學家嗎?

並不會,中央研究院生物醫學科學研究所研究員黃明經表示,AlphaFold 是不能回答「摺疊機制」的問題,其模擬出的折疊過程,也與實際狀況有落差。國立臺灣大學生物機電工程學系教授陳倩瑜則提到這次在大會上取得優良成績的 AlphaFold,是改良過的「AlphaFold2」,目前還不清楚 AlphaFold2 所使用的方法細節,但如果如果承襲之前 AlphaFold 的策略,會先蒐集目標蛋白質(target protein)的相似序列來進行多序列排列(multiple sequence alignment),進而得到兩個胺基酸的共演化(coevolution)1資訊來推估彼此在空間上的距離,這套方法會在目標蛋白質沒有太多相似序列時,對預測準確度造成影響。

此外,黃明經說:「 AlphaFold 學習的蛋白質結構資料庫,是從已知蛋白質結構的資料庫中學習預測,但是資料庫中的資料大多是單一個蛋白質,多個蛋白質或複合體的資料較少。因為複合體中的蛋白質會受到其他蛋白質作用力的拉扯而修飾原本結構,因此目前 AI 雖然可以預測單一蛋白質結構,但可能仍無法精準預測較複雜的蛋白質複合體。」

而且,預測蛋白質結構是為了預測蛋白質功能,在預測蛋白質功能上,AlphaFold 可能力不從心,黃明經表示目前還必須仰賴科學家整合不同的系統生物資訊學資料,AI 才可能做出正確的功能預測。

AlphaFold 並不會取代科學家。圖/Pexels

科技與人相輔相成,共築理想研究圖像

AlphaFold 所提供的數據,除了能幫助科學家更快速找到三級結構,也可能會幫助科學家找到新的關鍵數據,成為蛋白質摺疊機制的突破口。而 AlphaFold 也能透過科學家的回饋,或接受更多實驗驗證過的結構資料(X光晶格繞射、低溫電子顯微鏡),達到更精準預測的目的。

黃明經認為目前 AlphaFold 所呈現的 AI 精準預測蛋白質結構的技術,可以應用在藥物篩選及研發。由於篩選藥物的重要關鍵之一是看蛋白質與其他作用分子的結合位點和結合方式,AI 預測出蛋白質結構後可以協助研究人員篩選、設計和修改藥物分子,獲得理想藥效。台灣目前也有團隊在研究藥物篩選及研發,期待 AlphaFold 的技術對此有幫助。

陳倩瑜也期待 AlphaFold 未來能進一步挑戰更多重要的計算問題,例如:蛋白質和小分子的嵌合,或是預測胺基酸突變對蛋白質結構與功能的影響,這將對藥物篩選、人類遺傳疾病研究、癌症研究與用藥預測等應用,產生劇烈且莫大的影響。

DeepMind 對蛋白質折疊相關機制的解說。

註解

  1. 此文中提到的共演化,指的是胺基酸之間因為在三維空間的交互作用,雙方產生相對應改變的演化過程。

參考文獻

  1. RCSB PDB: Homepage
  2. Home – Prediction Center
  3. 亂中有序的蛋白質
  4. 一窺生物分子私底下在幹嘛!低溫電子顯微技術原子等級突破 – PanSci 泛科學
  5. 「AI可以解決蛋白質結構預測的難題」之專家意見 – 新興媒體中心
  6. 蛋白質摺疊 – 維基百科,自由的百科全書

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常見的指甲美容工具、技巧和風險

胡中行_96
・2022/05/19 ・3469字 ・閱讀時間約 7 分鐘

「我從自然、夢境與超現實的空間,得到許多靈感。由多方汲取,同時又非來自某個源頭。」國際藝術家 Juan Alvear 自白中的不確定性,簡直得請量子物理學家海德堡(Werner Heisenberg)來測量。

時尚雜誌《Vogue》最近在介紹 Juan Alvear 的時候,配了一幀照片:一隻右手食指的美甲,延伸成一根開出眼眸的銀色荊棘,尺寸約為該手指的四倍長。這件不明所以的作品,創作理念據說是在呈現深夜夢境所帶來的啟發。[1]

時尚雜誌《Vogue》介紹 Juan Alvear 時,配了一幀照片:一隻右手食指的美甲,延伸成一根開出眼眸的銀色荊棘。圖/Vogue

近年天馬行空的美甲造型蔚為風潮,連活體昆蟲都被納為材料,赫然突破普羅大眾對「多元媒材」創作的想像。[2], [3]就連風格相對「保守」的藝術家 Juan Alvear,在 Instagram 上也吸引了 5 萬追蹤者,其中包括他的顧客——時尚名媛 Paris Hilton 和英國歌手 Charli XCX。[1]估且不論指甲藝術的花費及其不實用性,單就美觀(或獵奇)的程度,便足以奪取眾人的目光。

指甲美容的風險

然而,從安全性的角度來說,進行指甲美容時,究竟得避開哪些危險因子?

2019 年《臨床與實驗皮膚科學》的〈指甲美容:皮膚科觀點〉以及 2020 年《國際女性皮膚科學期刊》的〈女性指甲健康〉二篇文章,列舉了數種常見的指甲美容商品和技巧,還有它們的健康風險。[4], [5]以下是綜合其他資料後,產出的清單,提供給愛美的泛科學讀者們參考。

估且不論指甲藝術的花費及其不實用性,單就美觀(或獵奇)的程度,便足以奪取眾人的目光。圖/Vogue

護甲油

護甲油(nail strengtheners)可以保護癌症病患因化療而變得脆弱的指甲,所以是極少數受到醫療人員大力推崇的美甲產品之一。[6], [7]護甲油分為「指甲強化油」(nail hardeners,又譯「硬甲油」)與「指甲滋潤油」(nail hydrators)二種。[8]

指甲強化油又再細分為二類:

  1. 交聯強化油(cross-linking hardeners)以甲醛和鈣質來與指甲中的蛋白質作用,進而提升指甲硬度。[8]甲醛濃度只要 0.006% 就可能導致接觸性皮膚炎,某些廠牌還高達 5%,所以有敏感體質的人,最好避免使用。[4]
  2. 加固強化油(reinforcing hardeners)用尼龍和硫氫基蛋白(sulfhydryl protein)等成份罩住指甲,增強硬度。[8]

指甲滋潤油

指甲滋潤油則是以礦物油、甘油、凡士林或蜂蠟等,來達到保養功效。[8]

指甲油

歷史上有不少民族,拿植物染料來為指甲上色。1932 年露華濃(Revlon)公司的創始人 Charles Revson,在用硝化纖維(nitrocellulose)製成的透明漆(clear lacquer)裡加入色素,做出第一罐現代指甲油(nail polishes或nail lacquers)。指甲油可透過減緩水份蒸散,來達到保濕功能。[5]

不過,許多市面上的產品都有添加甲苯磺醯胺-甲醛樹脂(tosylamide/formaldehyde resin),以提升色澤。該原料容易引發接觸性皮膚炎和氣喘,建議體質敏感的讀者,盡量避免。[4], [9]

除了過敏,塗抹指甲油的副作用,還包括以「假性白指甲」(pseudoleuconychia)樣貌呈現的「角蛋白顆粒化」(keratin granulation),以及指甲變色,嚴重影響外觀,因此不宜長期使用。[5]

塗抹指甲油的副作用包括過敏、角蛋白顆粒化,以及指甲變色,不適合長期使用。圖/PubMed

護甲基底油(base coats)算是指甲油的一種,被拿來打底用,目的是使指甲表面平滑,方便接著塗顏色較為鮮亮的指甲油。[10]據說能預防指甲變色,但不是對每個人都有效。[11]

美甲雕塑

美甲雕塑(sculptured nails)分為凝膠指甲(gel nails)和水晶指甲(acrylic nails)二種,都是採用液態丙烯酸(acrylate)或甲基丙烯酸(methacrylate)單體製作而成的壓克力顏料。[4], [12], [13]壓克力是手部「搔癢濕疹性皮膚炎」(pruritic eczematous dermatitis)的元兇之一,少數人甚至連臉蛋和脖子都會出現過敏症狀。[4]

凝膠指甲,亦稱作「光療指甲」(ultraviolet light–curable nail lacquer),特色是持久,又不易脆裂、刮傷。凝膠指甲油這種壓克力顏料,摻有過氧化苯醯(benzoyl peroxide)之類的光引發劑(photoinitiators),塗在指甲或塑膠甲片上,再用 UV (波長340~380 nms)或 LED 光線照射,就會聚合硬化。[4], [12], [13]

值得注意的是,雖然有些美甲光療機採用 UV 燈,有的則是LED燈,但實際上二種都會釋放出 UV 射線。[14]理論上,這種每次 3 到 5 分鐘,約 2 到 4 週重複一次的美甲行為,不算非常危險。[4]它所帶來的 UV 曝曬量,跟把皮膚曬成古銅色的助曬美容比起來低很多。[14]

然而,相關研究仍發現,有人因為長年接觸 UV 射線,甲下皮(hyponychium)黏在指甲上,造成「指甲反向胬肉」(pterygium inversum unguis;胬,注音:ㄋㄨˇ),修剪指甲時會痛。[4], [14], [15]還有更嚴重但罕見的情形,就是可能引發「鱗狀細胞癌」(squamous cell carcinoma)。[4], [14]

為了預防「指甲反向胬肉」,美國皮膚癌基金會建議,於使用美甲光療機前 20 分鐘,在手上塗抹廣效性防曬油。不過,此保護措施對防範「鱗狀細胞癌」無效。[14]

水晶指甲用的壓克力顏料可「自發聚合」(spontaneous polymerization),所以無需照射 UV 或 LED 光線,常與延長甲片搭配使用。[4], [12]

延長甲片

延長甲片(nail extensions)除了美觀,也能矯正變形的指甲,但最好不要裝太長,免得意外讓指甲和下面的皮膚(甲床)分開,造成「甲床剝離」(onycholysis)。 [5]

延長甲片能矯正變形的指甲,但最好不要裝太長,免得造成甲床剝離。圖/PubMed

指甲拋光機

指甲拋光機(nail drills)又稱「指甲打磨機」,常用於卸除美甲雕塑,若操作不慎,容易傷及周邊皮膚,或穿透指甲。[5]

去光水

去光水(nail polish removers)的主成份丙酮,可能造成指甲脆化和「刺激性皮膚炎」(irritant dermatitis)。為避免傷害指甲質地,建議每週最多使用一次。[5]

指緣軟化劑

指緣軟化劑(cuticle removers)裡頭的氫氧化鈉(sodium hydroxide),會激起某些人皮膚的發炎反應,而且指緣其實本來就不應該被去除。[5]

黏貼型美甲產品

被黏貼型美甲產品(stick-on nail dressings)封住的指甲,可能因暫時的「過度水合」(overhydration)而變薄。黏貼時使用的瞬間膠(cyanoacrylate glue,又譯「三秒膠」),會產生「放熱反應」(exothermic reaction),因此偶有全層皮膚燙傷的案例不幸發生。此外,在拆卸黏貼型美甲產品,清潔指甲底下的空間時,要小心別使甲床剝離。[5]

結語

最後,塗抹顏色或黏貼裝飾,都會妨礙醫師觀察指甲。例如:有一名婦女 30 年前曾注意到指甲有異常的條紋,但她不以為意,只是一直用指甲油覆蓋。等情況嚴重到無法掩飾,才被醫師診斷出「黑色素瘤」(melanoma)。此時,病灶已經由皮膚表層向下深入 0.42mm。[4]

閱讀完一長串的健康危害之後,您是否好奇頂尖美甲藝術家怎麼對待自己的指甲?「近來,比起延長甲片,我更崇尚天然」,Juan Alvear 坦言:「因為服務客戶時,我的指甲總是被磨到或刮傷。」[1]

參考資料

  1. Nail Files: Juan Alvear on Why “Cutesy Toes” and “Spiky Nails” Do, In Fact, Go Together
  2. 浮誇系美甲當道!2021 年夏季美甲師最愛的出人意表 27 個美甲趨勢
  3. 最噁爛美甲……把活螞蟻關進指甲 還瞎扯:牠們有在呼吸
  4. Reinecke, J. K., & Hinshaw, M. A. (2020). Nail health in women. International journal of women’s dermatology6(2), 73–79.
  5. Dinani, N. & George, S. (2019). Nail cosmetics: a dermatological perspective. Clin Exp Dermatol, 44: 599-605.
  6. Nail Changes
  7. Chemotherapy side effects: physical changes
  8. Nail Hardeners vs. Nail Hydrators: Which Works Best for Brittle Nails?
  9. 美容作業人員有機溶劑暴露及通風設施改善與管理探討─以美甲人員為例
  10. Trending – Nail Polish
  11. Rieder, E. A., & Tosti, A. (2016). Cosmetically Induced Disorders of the Nail with Update on Contemporary Nail Manicures. The Journal of clinical and aesthetic dermatology9(4), 39–44.
  12. 壓克力高分子的應用
  13. What Is Gel Nail Polish Made of?
  14. Ask the Expert: Are the UV Lamps in the Dryers at the Nail Salon Safe to Use?
  15. 國際電腦漢字及異體字知識庫:胬

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胡中行_96
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曾任澳洲臨床試驗研究護理師,以及臺、澳劇場工作者。 西澳大學護理碩士、國立台北藝術大學戲劇學士(主修編劇)。臉書:荒誕遊牧。