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分子太陽能電池:由單個蛋白質複合體構成

only-perception
・2012/10/03 ・864字 ・閱讀時間約 1 分鐘 ・SR值 519 ・六年級

國民法官生存指南:用足夠的智識面對法庭裡的一切。

光合作用(photosynthesis)讓植物將光轉換成化學能。利用此過程來產生電能是一個世界級的研究目標。現在,(德國)Technische Universitaet Muenchen 以及(以色列)Tel Aviv University 的科學家團隊已成功直接追溯並測量由單組光系統 I(photosystem I)分子所產生的光電電流(photoelectric current,譯註:一般簡稱光電流)。

一支由 Joachim Reichert、Johannes Barth 與 Alexander Holleitner(Technische Universitaet Muenchen)以及 Itai Carmeli(Tel Aviv University)所領導的科學家團隊,開發出一種方法來測量單一功能化光合作用蛋白質系統的光電流。科學家能證明這樣一個系統能在人造光伏裝置結構中被整合並被選擇性地處理(selectively addressed),同時保留其生物分子的功能性特性。這些蛋白質代表光驅動、高效率單分子電子幫浦,能成為奈米級電子電路的電流產生器。這個跨學科團隊將這些結果發表在 Nature Nanotechnology

科學家研究 光系統-I 的反應中心,是一個葉綠素蛋白複合體(chlorophyll protein complex)位於藍綠菌(cyanobacteria,藍菌,譯註:原稱「藍綠藻、藍藻」,因無細胞核,故最近被歸入「細菌域」)葉綠體(chloroplasts)的膜上。植物、藻類與細菌利用光合作用將太陽能轉換成化學能。此過程的起始階段 — 在此光被吸收且能量與電子被轉移 — 是由葉綠素與類胡蘿蔔素(carotenoid)複合物所組成的光合作用蛋白質所斡旋。直到目前為止,沒有任何一種方法夠敏感,足以測量單個蛋白質所產生的光電流。光系統-I 展現出優異的、只在光合作用系統中出現的光電特性。奈米尺度的大小,更進一步使 光系統-I 成為分子光電學( molecular optoelectronics)中一種有希望的應用單元。

物理學家得要精熟的第一個挑戰是開發出一種方法,在電氣上(electrically)接觸位於強光場中的單組分子(single molecules)。此實體化奈米裝置的中央元素由光合成蛋白自組裝而成,並透過共價方式利用半胱胺酸突變基(cysteine mutation groups)與金電極鍵結。光電流透過部屬在掃描式近場光學顯微鏡設置中的包金玻璃尖端(gold-covered glass tip)來測量。光合作用蛋白在光學上受到經引導通過四面體尖端(tetrahedral tip,那在同一時間提供電接觸)的光通量所激發。利用此技術,物理學家能在單組蛋白質單位中監測光電流產生。

資料來源:Solar cell consisting of a single molecule: Individual protein complex generates electric current. phys.org [October 2, 2012]

轉載自 only perception

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only-perception
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妳/你好,我是來自火星的火星人,畢業於火星人理工大學(不是地球上的 MIT,請勿混淆 :p),名字裡有條魚,雖然跟魚一點關係也沒有,不過沒有關係,反正妳/你只要知道我不是地球人就行了... :D

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邁向淨零排碳的未來:去碳燃氫技術!
研之有物│中央研究院_96
・2022/12/10 ・6194字 ・閱讀時間約 12 分鐘

國民法官生存指南:用足夠的智識面對法庭裡的一切。

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。

  • 採訪撰文|廖英凱
  • 責任編輯|簡克志
  • 美術設計|蔡宛潔

高排碳發電方式的轉型

氣候變遷是全球議題,為了降低碳排放,發展低碳電力相當重要。臺灣目前主要使用天然氣發電,雖然排碳量較燃煤發電低,仍屬高碳排的發電方式,若未來要達到 2050 淨零排放,勢必要開發更多的低碳電力。

中央研究院「研之有物」專訪院內物理研究所陳洋元研究員,他與團隊應用天然氣催化裂解的理論,突破各種技術限制,打造出「去碳燃氫」(methane pyrolysis)裝置,使得燃氣發電可以更進一步減少碳排放,目前成果已接近歐盟需求,並預計陸續擴大運用至商用發電機組。

陳洋元向研之有物團隊介紹「去碳燃氫」技術。
圖|研之有物

因人類工業活動排放的二氧化碳而導致的氣候變遷問題,已是當代人類亟欲解決的難題。近幾年,國際組織與科學機構也不斷地強調減少碳排放的必要,以及調整減碳標準。2014 年聯合國政府間氣候變化專門委員會(IPCC)的綜合評估報告指出,人類應在 2100 年以前削減 90% 的碳排。

但到了 2018 年的全球暖化特別報告時,IPCC 則將標準加嚴,人類需在 2050 年時達到「淨零排放」,亦即「人為溫室氣體的排放量,扣除透過碳匯碳捕等移除量後為零」。2021 年下半年,世界各大工業國也陸續提出在 2050 年前後達到該國淨零排放的政策目標和政策路徑。

在世界潮流的推動下,2021 年 4 月總統蔡英文在世界地球日的活動,宣示臺灣將努力在 2050 年達到淨零排放。同年中研院在廖俊智院長的主導下,啟動了「Alpha 去碳計畫」,院內物理所的陳洋元研究員與研究團隊也開始為臺灣的「去碳燃氫」技術建立基礎。

把天然氣變成氫氣,真的可能嗎?先來看看過去科學家怎麼做吧!

降低天然氣碳排的方法

為能達到降低碳排的能源轉型,又需兼顧產業發展的用電需求,臺灣目前的能源規劃,預估在 2025 年時,再生能源發電量佔比約 15.2%,其餘則為 45% ~60% 的燃氣發電與 25% ~40% 的燃煤發電所組成,到 2050 年時,樂觀理想情境中再生能源發電量佔比可逾 60%,剩下則以燃氣發電為主。

儘管燃燒天然氣(甲烷)的理論排碳量,約只有燃燒煤炭的一半,但每燃燒 1 噸的甲烷,仍會產生 2.75 噸的二氧化碳排放,這與淨零排放的目標,仍有相當大的差異。因此,當代天然氣的運用,必須回應如何有效降低碳排放。

大抵來說,降低天然氣的碳排可以分成兩種不同方向的策略,其一是「碳捕捉、再利用與封存carbon capture, utilisation and storage, CCUS)」,方式是將燃燒後的二氧化碳,捕捉下來再利用,如應用於綠藻養殖、水泥製造等,或是將二氧化碳壓縮後封存於耗竭油氣庫這種地質結構上的特殊封閉構造,或是封存於海底富含鹽水的地層構造。

碳捕捉、再利用與封存(CCUS),就是將燃燒產生的二氧化碳,收集與分離出來,拿去工廠再利用或是封存於特殊地層。
圖|研之有物(資料來源|聯合國歐洲經濟委員會

然而碳捕存的技術與概念新穎且須有特定地質條件配合,要能達到具規模的運用仍有相當技術門檻需突破,且碳捕存在臺灣多年來也持續面臨政治及環保爭議,發展進度緩慢。

另一種策略方向,則是「燃料轉換」,將化石能源的天然氣,全部或部分替換為零碳的能源,例如利用微生物分解利用農業等方式生產的有機物質來產生「生質甲烷」(註1)作為燃料;利用大量的無碳電力,電解水後分解為氫氣和氧氣,再將氫氣做為燃料;或是再利用無碳電力將二氧化碳與氫氣合成為甲醇、甲烷、氨等「載氫劑(hydrogen carrier)」以利運送和利用。

還有一種備受矚目的燃料轉換方式,是直接將甲烷裂解為氣態的氫氣和固態的碳黑(carbon black):

只要有足夠的能量,甲烷就能裂解為固態碳和氫氣。
圖|研之有物

其核心原理為,若能提供甲烷分子每莫耳 74 千焦耳的能量,就能把碳原子與氫原子的鍵結打斷,而關鍵在於如何提供能量以及如何提升使用能量的效率。

1999 年,M. Steinberg 發現當溫度夠高時,甲烷鍵結被打斷的效率隨之提升,而提出「甲烷熱裂解」(thermal decomposition of methane, TDM)技術,該技術是將甲烷處於高於 700°C 的高溫環境,使甲烷裂解為氫氣與固體的碳。固體碳可以穩定的儲存,不會增加大氣中的二氧化碳,也可以做為工業生產的原物料使用。

為進一步提升甲烷分解的效率與商業價值,近二十餘年來,許多針對 TDM 的研究,引入了各種催化劑,作為熱解甲烷的反應環境。目前常使用特定比例的惰性合金作為催化劑,將合金加熱成熔融態,當甲烷氣體通過液態合金時,即開始分為氫氣與固態碳。

加熱溫度越高、氣體通過的熔融合金管柱越長,則甲烷熱裂解的程度越高,例如以一公尺長的管柱環境,利用不參與反應的 1175°C 熔融錫金屬,則可轉化 78% 的甲烷;利用具催化性的熔融金屬如 27% Ni–73% Bi 合金,則可在 1065°C 達成 95% 之甲烷轉化

如圖所示,此為天然氣裂解的簡易流程,當天然氣進入管柱時,需要熔融合金 Ni-Bi 作為催化劑,以便在高溫環境下轉化為固態碳(C)和氫氣(H2)。
圖|研之有物(資料來源|Science

為什麼需要催化劑?為了降低化學反應的難度。

化學反應的過程就像冒險者從小鎮(反應物)出發,克服山頂上的巨龍(活化能),並取得山谷寶藏(生成物)。而催化劑就像是幫冒險者開外掛的流浪法師,短暫加入冒險者一伙,開啟原本沒有的秘密通道,讓冒險者不用打龍就輕鬆取得寶藏。
圖|研之有物(資料來源|chemorphesis

實際運用上的限制與問題

以裂解方式生產氫氣的技術,有可能會成為未來氫能發展最主流的方向,歐盟針對氫能發展的預估中,即認為到 2050 年時,歐盟所使用的氫能會有 55% 來自於甲烷裂解,有 30% 來自目前化工產業較成熟使用的天然氣重組,以及 15% 來自於水電解產氫。

因此,2021 年 3 月起,在廖俊智院長的主導下,中研院啟動了「Alpha 去碳計畫」,目的在發展熱催化、電漿裂解等各種技術方法,以達成去碳產氫的發電目標。物理所陳洋元研究員的團隊,也開始在院內建構甲烷熱裂解的裝置,試圖為我國建立起去碳燃氫的技術基礎。

然而,儘管催化性熔融金屬的理論可行,在實務運作上此方法卻有其瓶頸,陳洋元研究員的團隊發現,當裂解後產生的氫氣和碳從熔融金屬表面冒出時,熔融金屬的蒸氣會把碳包住而在金屬表面變成如岩漿般的黏稠流體,必須不斷暫停實驗把岩漿給撈出去,使得學理上雖可高效率地裂解甲烷,但仍難以放大規模至發電機機組或提供給發電業使用。

上述催化性熔融金屬用在天然氣裂解,理論上可行,但是陳洋元團隊實作發現,熔融金屬的蒸氣會把碳包住,會在金屬表面(如管壁)形成岩漿般的黏稠流體,必須不斷暫停實驗,把廢碳渣撈出去。
圖|研之有物(資料來源|Science、陳洋元)

體認到催化性熔融金屬的限制後,陳洋元研究員開始尋找其他也可具有類似催化效果的材質。其中一種可行的催化劑,就是碳黑本身。過去針對催化反應的研究中,即發現碳本身即是一種理想的催化劑。在甲烷裂解的過程中,研究者可以透過利用不同形式、結構與表面積的碳,來調控碳的催化活性

2013 年,韓國研究者 Seung Chul Lee 等人提出用碳黑作為催化劑的甲烷熱裂解裝置設計,其概念是將高溫管柱中,裝填直徑 30 nm 的碳粒作為催化劑,使甲烷通過高溫碳粒時,被催化裂解為氫氣和碳,再透過集塵器與過濾器捕捉碳黑。

2013 年韓國 Seung Chul Lee 等人提出了利用碳黑作為催化劑的甲烷熱裂解裝置。
圖|Korean Journal of Chemical Engineering

雖然概念裝置已提出逾十年,但至今市面上仍未有成功商業化與量產的設備。由於催化劑和裂解後的碳都是相同的物質,因此隨反應時間增加,實驗裝置中的碳黑會不斷吸附。

因此,該實驗設計若要能用於實務上的燃氣電廠減碳,關鍵就在如何能維持或定時減少高溫管柱中積存的碳;如何能延長集塵設備與濾網的更換週期,以須確保裝置能不間斷的長時間運作;以及如何與既有燃氣機組的系統結合。

Alpha 去碳計畫:以局部比例的氫氣代替甲烷

面對過去研究的基礎與限制,中研院的團隊已在開發利用碳黑作為催化劑的甲烷熱裂解裝置,且能搭配自動化的清除積碳、與更新集塵、過濾器,使熱裂解裝置能持續性地運作。

熱裂解的裝置設計上,也並非追求極致的甲烷轉換率,由於氫氣比甲烷擁有更劇烈的燃燒反應,如在空氣中的燃燒速度,甲烷為 0.38 公尺/秒,但氫氣則高達 2.9 公尺/秒,這使得氫氣爆燃的衝擊力遠大於甲烷。

因此,目前仍未有純氫氣或高比例氫氣的商品化發電機組,而多以在甲烷中混合 10% ~30% 的氫氣,達到局部比例的減碳,因此在裝置設計上,須同步調控所產製氫氣與甲烷的比例,使發電機能持續燃燒固定成分比例的甲烷氫氣混合物。

中研院天然氣熱裂解裝置的實體照片。天然氣高溫裂解系統,包含:控溫電子儀器、高溫爐與流量計。放大區域顯示高溫爐上面的構造,白色為隔熱棉,石英管管壁已經有少許的碳渣附著。
圖|研之有物(資料來源|陳洋元)

從減碳效益來比較傳統天然氣發電和部分比例的去碳燃氫發電,以目前大潭電廠最新燃氣機組的熱效率 60% 來計算,每噸天然氣燃燒,可提供 9300 度的發電量,並排出 2.75 公噸的二氧化碳。

但若能將其中 30% 的甲烷高溫裂解後,將氫氣與天然氣混燒,因氫氣的燃燒熱較低,且需額外提供裂解所需的能量,此時每噸天然氣則能發出 7400 度的電量,但碳排放降低為 1.92 公噸的二氧化碳,並生產 0.225 公噸的固體純碳。

也就是說,以大潭燃氣電廠為例,若將 30% 的甲烷裂解,產生氫氣與天然氣混燒,最終是以減少 20% 的發電量為代價,換得 30% 的減碳效益,以及具有精密工業、高產值化工業運用潛力的高純度碳黑原料。

目前中研院的 Alpha 去碳計畫已完成了將甲烷熱裂解裝置與 13 kW 天然氣發電機串聯,混燒 10% 氫氣燃料的概念驗證。

預計在 2025 年以前,將陸續擴大至針對建築物規模使用的 65 kW 燃氣渦輪發電機;和針對廠房、工商業用途使用的 1~2 MW 商用燃氣機組;以及與既有大型燃氣電廠使用的 170 MW 燃氣機組結合,以此建立我國去碳燃氫的產業鏈。

中研院將與業界合作,目標在 2025 年以前,推出裂解效率可達 40% 的去碳燃氫裝置,使臺灣天然氣發電的碳排達到歐盟訂定的永續標準。

開闢臺灣淨零排放的路徑

面對氣候變遷的威脅,世界各國無不積極且緊迫地尋找能達到零碳排放的方式,然而多數國家在有限的自然資源條件下,風力與太陽光電等再生能源的發電規模和穩定程度仍遠不及大型發電廠。

因此 2021 年起世界各國,相繼提出了符合淨零與永續精神的天然氣使用規準。2022 年 2 月,歐盟批准了有助實現歐盟環境目標的「永續活動分類法」與「氣候授權補充法案」,其中針對燃氣發電廠的規範,是要求 2035 年以前須完全由天然氣轉向低碳燃料或再生能源燃料;或是 2030 年前施工但每度電少於 270 克二氧化碳排放量,才能獲得永續金融投資的優惠。

以此作為標準來檢驗目前臺灣的燃氣發電,較先進且尚有機組興建中的大潭發電廠,碳排係數約低於每度電 388 克二氧化碳排放,若能順利搭配裂解效率 30% 的去碳燃氫技術,則碳排係數可降為每度電 271.6 克二氧化碳排放,幾乎符合歐盟的標準。

若再能輔以部分比例的生質甲烷混燒,排出二氧化碳又有部分比例利用碳捕存處理,至少就能使我國在未來最主要使用的天然氣,能符合目前歐盟看待永續能源的標準。

目前中研院陳洋元團隊打造的去碳燃氫技術,能利用臺灣既有天然氣和燃氣電廠的基礎建設,維持穩定的基載電力供給,又能達到減碳的效益,預計將是未來幾年內,能有效提供臺灣減碳成果的重要技術方向。

然而,去碳燃氫技術也因減碳目的而降低燃氣的發電量,這會使臺灣已經擴大天然氣使用的政策方向還要更加強化,如增加更多的天然氣進口量,興建更多的天然氣接收站、儲存槽與管線。近年烏俄戰爭帶來世界性天然氣的短缺,以及第三天然氣接收站的興建帶來海岸生態的危害,使用天然氣仍有難以忽視的環境與社會風險。

中研院的去碳燃氫技術,可能不是淨零未來的唯一選項,但傾力推動這項技術,才有機會在邁向淨零未來的過程中,爭取到足以讓永續與潔淨能源普及的時間。

中研院陳洋元團隊打造的「去碳燃氫」技術,利用臺灣既有天然氣和燃氣電廠的基礎建設,維持穩定的電力供給,又能達到減碳的效益,預計將是未來幾年內,能有效提供臺灣減碳成果的重要技術方向。
圖|研之有物

註解

  • 註1:生質甲烷的概念是,透過微生物分解農業生產的有機物質,由此生產甲烷,這種有機物的碳,是來自植物光合作用的固碳反應。因此理論上不會使用到地底下的化石碳,比天然氣還要減碳。

延伸閱讀:

研之有物│中央研究院_96
255 篇文章 ・ 2334 位粉絲
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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【水獺媽媽專欄:從日常學永續】我也好想像太陽一樣,可以發光又發電!
PanSci_96
・2022/11/02 ・830字 ・閱讀時間約 1 分鐘

國民法官生存指南:用足夠的智識面對法庭裡的一切。

「隨手關燈,節能減碳」這是在我們日常生活中,絕對會看見或聽見的標語!在家裡被爸爸媽媽隨時叮嚀、到學校被老師耳提面命、忘記關燈而被罵的記憶肯定不會少。

建立節能好習慣很重要,但我們現在還有哪些跟能源相關的永續行動呢?

台灣的發電來源,主要仰賴燃煤、燃氣等化石燃料,比重高達80%,但提供穩定電量讓人類使用的同時,卻也大量排放二氧化碳及空氣汙染物、加劇氣候變遷,灰濛濛的天空就是最直接的證據。

近年,政府積極推動能源轉型,希望降低對化石燃料的依賴,發展再生能源,尤其是太陽光電和離岸風力發電。

像是今年夏天,家長跟小朋友都很期待的「班班有冷氣」政策,除了讓大家可以舒適上課,也同步規劃「校校會發電」,降低對地球的負擔。

近年,政府積極推動能源轉型,希望降低對化石燃料的依賴,發展再生能源,尤其是太陽光電和離岸風力發電。圖/水獺媽媽提供

不過大家有發現,學校的發電設備裝在哪裡嗎?

原本烈日長期曝曬,又熱又空的學校頂樓,竟然可以搖身一變,成為設置太陽能板的最佳基地!而當地球最豐沛的資源——陽光,照射到板內的矽晶片時,光子會撞擊電子並產生電流。

這些我們肉眼看不到的次原子粒子,卻悄悄在太陽能板中移動,而且發電的過程不會排放任何溫室氣體,也不會造成空氣汙染,非常不可思議!

陽光照射到板內的矽晶片時,光子會撞擊電子並產生電流。圖/水獺媽媽提供

也許我們都沒想過,學校可以從原本「電的消費者」變成「電的供給者」,將能源轉型落實在校園中,那麼大家趕快找個時間,去看看自己的學校,有沒有用來發電的太陽能板吧!

隨手關燈,一起節能愛地球!圖/水獺媽媽提供
PanSci_96
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【2004諾貝爾化學獎】蛋白質的分解機器
諾貝爾化學獎譯文_96
・2022/09/12 ・6710字 ・閱讀時間約 13 分鐘

本文轉載自諾貝爾化學獎專題系列,原文為《【2004諾貝爾化學獎】蛋白質的分解機器

  • 譯者/蔡蘊明|台大化學系名譽教授

譯者前言:今年的諾貝爾化學獎又落入了生化學家的口袋,連續兩年頒給生化學者並不常見,我想這應該是反映了現在化學研究的熱門趨勢。今年的諾貝爾化學獎讓我們注意到細胞是如何精妙的去控制它的蛋白質系統,昨日(十月六日)我在中研院生醫所聽了一場 2002 年諾貝爾生理及藥學獎的得主 H. Robert Horvitz 的演講,那是另一個熱門的題目:細胞凋亡,真是一場精采的演講,同樣的我們看到這些蛋白質的另一種運作。前幾日與一位生技系的學生聊到他未來想走的方向,言談之間他似乎認為蛋白質的化學已經熱門了好一陣子了,恐怕熱潮已過。不過從現實來看,在諾大的生命體系中,我們對它的瞭解實在是太少了,由這些蛋白質的研究看來,我覺得蛋白質的化學仍應是方興未艾吧!

後記:  詹健偉是我在 2003 年教過的學生,他原在植微系,後來轉入了生化科技系,從起初對生物系統的興趣加上對化學的熱愛導致他轉入生化科技的領域,然而這些年他逐漸的體認:「只有化學才能完美的解釋生物體系」,現在他已經決定投入“化學生物學”的領域。健偉是個認真的學生,他讀我的翻譯文章極為仔細,更進一步的從一個學生化的背景看出我許多翻譯的謬誤以及不通順之處。約莫半年前碰到他,他主動的提及願意幫我修改,一直到最近才讓我如願。有學生如此,是我的福分,感謝健偉也祝福他!

— 蔡蘊明 謹誌於 2006 年 10 月 9 日

一個人的細胞中含有上百萬種的不同蛋白質,它們具有無數的重要功能:例如以酵素(或稱為酶)的型式存在的化學反應加速者,以荷爾蒙的型式存在的訊息傳導物質,在免疫的防禦上扮演要角以及負責細胞的型態和結構。今年的諾貝爾化學獎得主:席嘉諾佛(Aaron Ciechanover)、赫西柯(Avram Hershko)以及羅斯(Irwin Rose)研究在細胞中如何對一些不需要的蛋白質加上一種稱為泛素(ubiquitin)的多胜肽標籤,藉以調節某些蛋白質的存在,他們的研究在化學知識上有重要的突破。這些被加上標籤的蛋白質,接著會在一個稱為蛋白解體(proteasome)的細胞"垃圾處理機"中迅速的降解。

透過他們發現的這個蛋白質調節系統,這三位學者使得我們能在分子的層次瞭解細胞如何的控制許多重要的生化程序,例如細胞週期、DNA 的修補、基因的轉錄以及新合成之蛋白質的品質管制。有關這種形式之蛋白質凋亡控制的新知識也使得我們能解釋免疫防禦系統如何的運作,這個系統的缺陷可造成包括癌症在內的不同疾病。

被貼上毀滅標籤的蛋白質

分解是否需要能量?

當大部分的注意力和研究都集中在企圖瞭解細胞如何的控制某些蛋白質的合成時(這方面的研究產生了五個諾貝爾獎),與其相反的蛋白質降解則一直被視為是較不重要的。其實有一些簡單的蛋白質降解酶是早就知道的,一個例子就是胰蛋白酶(trypsin),這是一個存在於小腸中,將食物中的蛋白質分解為胺基酸的一種酵素。類似的,有一種稱為溶體(lysosome)的細胞胞器也早就被研究過,它的功能是把由細胞外吸入的蛋白質降解。這些降解程序的共通性在於這些功能不需要能量。

不過早在 1950 年代的實驗就顯示要分解細胞本身所具有的蛋白質是需要能量的,這個現象一直困擾著研究者,這個矛盾也就是今年的諾貝爾化學獎的背景:亦即細胞內蛋白質的分解需要能量,但是其它蛋白質的分解卻不需要額外的能量。解釋這個需要能量的蛋白質分解過程是由 Goldberg 與其研究夥伴在 1977 年踏出了第一步,他們從一種稱為網狀紅血球(reticulocyte)之未成熟的紅血球,製造出一個不含細胞的萃取物,倚賴ATP(ATP = adenosine triphosphate;是一種細胞的能量貨幣)的能量,這種物質可以催化不正常蛋白質的分解。

運用這個萃取物,今年的三位諾貝爾化學獎得主在 1970 年代後期及 1980 年代初,透過一系列劃時代的生化研究,成功的顯示在細胞中的蛋白質分解,是透過一系列一步步的反應,導致要被摧毀的蛋白質被掛上一個稱為泛素(ubiquitin)的多胜肽標籤。這個過程使得細胞可以非常高的專一性分解不需要的蛋白質,而且就是這一個調控的過程需要能量。與可逆的蛋白質修飾例如磷酸化(1992 年的諾貝爾生理醫學獎)不同之處是:被聚泛素化(polyubiquitination)調控的反應,常是不可逆的,因為被掛上標籤的蛋白質最後被摧毀了。大部分的這些工作是在以色列 Haifa 大學的赫西柯以及席嘉諾佛在休假年,於美國費城的 Fox Chase 癌症中心的羅斯博士的實驗室所完成的。

泛素的標籤

這個後來被發現用在需要分解掉的蛋白質上所貼的標籤,早在 1975 年就從小牛胸腺中被分離出來,它是一個由 76 個胺基酸所組成的多肽,該分子被認為參與在白血球的成熟過程中,其後由於這個化學分子在各種不同的組織和生物體中(細菌除外)亦被發現,因此被賦予了泛素(ubiquitin)的名稱(ubique在希臘文中有到處或廣泛的意思)(圖一)。

(圖一)泛素:一個共通的多胜肽代表"死亡之吻"

發現由泛素所媒介的蛋白質分解

在赫西柯取得博士學位之後,研究了一陣子肝細胞中倚賴能量的蛋白質分解,不過在 1977 年決定改為研究上述的網狀紅血球萃取物,這個萃取物含有大量的血紅素,嚴重的影響實驗,在企圖利用層析法來去除血紅素時,席嘉諾佛以及赫西柯發現這個萃取物可被分成兩個部分,二者個別都沒有生化活性,但是他們發現一旦二者混合在一起,那個倚賴 ATP 的蛋白質分解活性就恢復了。在 1978 年他們發表了其中一個部分中的具活性物質,是一個對熱穩定的多肽,分子量只有 9000,他們稱之為 APF-1,這個物質後來證實為泛素。

席嘉諾佛,赫西柯,與羅斯在 1980 年發表了兩份決定性的突破工作,在這之前 APF-1 的功能是完全不清楚的。這頭一份報告顯示 APF-1 是以共價鍵(就是一種很穩定的化學鍵結)與萃取物中的各種不同蛋白質結合。在第二部份的報告更進一步的顯示有許多個 APF-1 鍵結在同一個目標蛋白上,此一現象被稱為聚泛素化(polyubiquitination)。我們現在知道這個將目標蛋白質多次泛素化的步驟,是一個導致蛋白質在蛋白解體(proteasome)中降解的啟動信號;也就是這個聚泛素化反應,在蛋白質貼上降解的標籤,或可稱其為"死亡之吻"。

就這麼一擊,這些完全未預期的發現,改變了其後的研究方向:現在就可以集中力量開始鑑定那些將泛素接上蛋白質標靶的酵素系統。由於泛素普遍的存在於各種不同的組織和生物體中,大家很快的體認到,由泛素所媒介的蛋白質分解對細胞一定是很普遍而重要的。研究者更進一步的推測,那個倚賴 ATP 的能量需求,可能是為了讓細胞控制這個程序的專一性。

這個研究領域就此大開,而在 1981 到 1983 年間,席嘉諾佛,赫西柯,羅斯與他們的博士後研究員及研究生發展了一套“多重步驟泛素標籤化假說”,這個假說是基於三個新發現之酵素的活性,他們稱這三個酵素為 E1、E2與E3(圖二)。我們現在知道一個尋常的哺乳類細胞含有一個或數個不同的 E1 酵素,大約幾十個 E2 酵素,以及幾百個不同的 E3 酵素,就是這個 E3 酵素的專一性,決定了在細胞中要為哪些蛋白質貼上標籤,然後在垃圾處理機中摧毀。

到這個節骨眼為止,所有的研究都是在沒有細胞的系統中進行的,為了也能夠研究泛素所媒介的蛋白質降解之生理功能,赫西柯與其協同工作人員發展了一種免疫化學方法:用數種放射性胺基酸,以瞬間脈衝的方式來培養細胞,可標定細胞內某一個瞬間所合成的蛋白質。但是泛素中剛好沒有這幾種胺基酸,所以在這瞬間合成的泛素並未被放射性標記。利用泛素的抗體,可以將 "泛素-蛋白質"複合體自該細胞中分離出來,而其中的蛋白質的確具有放射性標記。實驗結果顯示,細胞中也確實以泛素系統來分解有缺陷的蛋白。我們現在知道細胞中大約 30% 的新合成蛋白質都會被垃圾處理機分解,因為它們沒有通過細胞的嚴格品質管制。

(圖二)泛素所媒介的蛋白質降解
  1. E1 酵素活化泛素分子,這個步驟需要 ATP 形式的能量。
  2. 泛素分子被轉移到另一個不同的酵素 E2。
  3. E3 酵素可辨認需要摧毀的目標蛋白質,"E2-泛素"複合物和"E3酵素"結合的位置,非常接近目標蛋白質。這個非常接近的距離,使得泛素標籤足以被轉移到目標蛋白上。
  4. E3 酵素釋放出具有泛素標記的蛋白質。
  5. 最後一步重複數次直到一個由泛素分子構成的的短鏈接在目標蛋白質上。
  6. 這個泛素的短鏈在垃圾處理機的開口處被辨識後,泛素標籤脫落而蛋白質被允許進入並被切成碎片。

蛋白解體-細胞的垃圾處理機

什麼是蛋白解體?一個人類細胞含有約 30,000 個蛋白解體,這個桶狀的結構體可以基本上將所有的蛋白質分解為七到九個胺基酸長短的胜肽,蛋白解體的活性表面是位於桶的內璧,也就是與細胞的其它部份是分隔開來的,唯一能進入蛋白解體的桶中活性表面的方式是必須透過"鎖",鎖能夠辨認接有多個泛素構成的短鏈之蛋白質,藉由 ATP 的能量將蛋白質變性(denature),並在泛素構成的短鏈移除後允許蛋白質進入,並將之降解,降解出來的胜肽由蛋白解體的另外一端釋放出來。因此蛋白解體本身並不能挑選蛋白質,決定哪一些蛋白質需要貼上銷毀的標籤,是 E3 酵素的工作。(圖三)

(圖三)細胞的垃圾處理機。黑點代表具有蛋白質分解活性的表面。

最近的研究

當貼上泛素標籤的蛋白質分解過程背後的生化機制在 1983 年被暴露後,它在生理學上的重要性尚未能完全掌握,雖然知道它在銷毀細胞內具有缺陷的蛋白質上是非常重要的,但是再進一步的,就需要一個突變的細胞來研究泛素的系統,藉著仔細的研究一個突變的細胞與正常的細胞在不同的生長條件下有何不同,希望知道細胞中有哪些反應是與泛素的系統有關,這才能得到更清晰的概念。

一個突變的老鼠細胞在 1980 年由一個東京的研究小組分離出來,他們的突變老鼠細胞含有一個因為突變之故而對溫度非常敏感的蛋白質。在較低溫度時它能發揮應有的功能,但是在高溫時則否,因此在高溫時培養的細胞會停止生長。此外,在高溫時它們顯示其 DNA 的合成會有缺陷以及一些其它的錯誤功能。一群在波士頓的研究人員很快的發現這個突變鼠細胞中對熱敏感的蛋白質是泛素活化酵素 E1,顯然泛素的活化對細胞的運作及複製是不可或缺的,正常蛋白質分解控管不僅對細胞中不正確蛋白質的銷毀很重要,也可能參與了細胞週期、DNA 的複製以及染色體結構的控管。

從 1980 年代末期開始,研究者鑑定出許多生理上很重要的基質是泛素所媒介的蛋白質分解機制中的標靶,在此我們僅提幾個最重要的為例子。

避免植物的自我授粉

大部份的植物是兩性或雌雄同株的,自我授粉將會導致基因多樣性的逐漸喪失,長期而言將造成該物種的完全絕滅,因此為了避免這個情形,植物利用泛素所媒介的蛋白質分解機制來排除"自身"的花粉,雖然完整的機制尚未明朗,但是已知 E3 酵素參與了運作,而且當加入蛋白解體的抑制劑時,排除自身花粉的能力就被削弱。

(圖四)細胞週期中控制染色體分離的機制:剪刀代表分解蛋白質的酵素而綁住剪刀的繩子代表它的抑制劑,APC 將這條繩子貼上標籤造成繩子的分解,剪刀就會釋放出來,接著將那條綁在染色體周圍的繩子切斷,最後造成染色體分離。

細胞週期的控制

當一個細胞要複製自己的時候會有許多的化學反應參與其中,在人體中的 DNA 有六十億個鹼基對必須複製,它們聚集成必須拷貝的 23 對染色體。普通的細胞分裂(也就是有絲分裂),形成生殖細胞(減數分裂),都與今年的諾貝爾化學獎的研究領域有許多交集。在此運作的 E3 酵素稱為"有絲分裂後期促進複合體"(anaphase-promoting complex簡稱 APC),其功能在檢查細胞是否離開了有絲分裂期,這個酵素複合體也被發現在有絲分裂及減數分裂過程中,對染色體的分離扮演了重要的角色。有一個不同的蛋白質複合體,它的功能就好像是一條綁在染色體周圍的繩子,將一對染色體綁在一起(圖四)。在一個特定的訊號出現後,APC 會在一個"降解蛋白質酵素"的抑制劑上貼上標籤,因此這個抑制劑就會被帶到蛋白解體中分解掉,而前述的那個降解蛋白質的酵素就會被釋放出來,在經過活化後將那條綁在染色體周圍的繩子切斷,一但繩子脫落,那一對染色體就會分離。在減數分裂時,錯誤的染色體分裂,是造成孕婦自然流產最常見的原因;一條多出來的人類第 21 號染色體會導致唐氏症;大部份的惡性腫瘤會具有數目改變的染色體,其原因也是由於有絲分裂時錯誤的染色體分裂。

DNA 的修補,癌症以及細胞凋亡

蛋白質 p53 被封為"基因體的守護神",它也是一個腫瘤抑制基因(tumor-suppressor gene),這個意思是只要細胞能製造 p53 就可以阻擋癌症的發生。可以非常確定的,在所有人類癌症中有至少一半的蛋白質是突變的。在一個正常細胞中,蛋白質 p53 一直不斷的被製造和分解,因此其數量是很低的,而它的分解是透過泛素標籤化過程以及負責與 p53 形成複合體的相關 E3 酵素來調控;當 DNA 受到損傷後,蛋白質 p53 會被磷酸化而無法與 E3 酵素結合,p53 的分解無法進行,因此細胞內的 p53 數量迅速增高。蛋白質 p53 的功能是作為一個轉錄因子(transcription factor),換言之就是一個調控某些基因表現的蛋白質。蛋白質 p53 會與控制 DNA 修補以及細胞凋亡的基因結合,並調控該基因,當它的數量升高時會影響細胞週期藉以保留時間給 DNA 修補的運作,倘若這個 DNA 的損傷過於嚴重,計劃性細胞凋亡將會啟動而導致細胞的"自殺"。

人類乳突病毒的感染與子宮頸癌的發生有極大的關聯性,這個病毒避開了 p53 所控制的關卡,它的方法是透過它的蛋白質去活化並改變某一個 E3 酵素(稱為 E6-AP)的辨識行為,E6-AP 被騙去將蛋白質 p53 貼上死亡的標籤而造成 p53 的消失,這個後果是被感染的細胞無法正常的修補其 DNA 所受到的傷害或者引起計劃性細胞凋亡,DNA 突變的數目增加最後終於導致癌症的發生。

免疫與發炎反應

有某一個轉錄因子調控著細胞中許多與免疫防禦及發炎反應有關的重要基因,這個蛋白質,亦即這個轉錄因子,在細胞質中是與一個抑制蛋白質結合在一起的,在這個結合的狀態下,此一轉錄因子是沒有活性的。當細胞暴露到病毒時或有其它的訊號物質出現時,這個抑制蛋白質就會被磷酸化,接著被貼上銷毀的標籤而送到蛋白解體中分解掉,此時被釋放出來的轉錄因子被運送到細胞核中,在那裡它與某些特定的基因結合,進而啟動這些基因的表現。

免疫防禦系統中,被病毒感染的細胞,會利用泛素-蛋白解體系統,將病毒蛋白質降解到適當大小的多肽,這些多肽會被呈獻到細胞的表面。T 淋巴細胞會辨識這些多肽然後攻擊這些細胞,這是我們的免疫系統對抗病毒感染的一項重要防禦方式。

纖維囊腫症(cystic fibrosis)

一個稱為纖維囊腫症的遺傳疾病,簡稱 CF,是由一種不具功能的細胞膜氯離子通道(稱為 CFTR;纖維囊腫跨膜通道傳導調節蛋白)所造成。大部份的纖維囊腫病患都具有一個相同的基因損傷,也就是一個在 CFTR 蛋白質上缺少了一個苯丙胺酸的胺基酸。這個突變導致了這個蛋白質的錯誤摺疊結構,使得該錯誤摺疊蛋白被保留在細胞的蛋白質品管系統中,這個品管系統要確實的將此一錯誤摺疊的蛋白質透過泛素-蛋白解體系統銷毀,而不能將之傳送到細胞膜上,一個沒有正常氯離子通道的細胞將無法透過細胞膜傳送氯離子,這就影響到肺部以及一些其它組織的分泌系統,造成肺黏膜液的增加而破壞其功能,更大幅的增加其受到感染的危險性。

這個泛素系統已經成為一個很有趣的研究領域,可用來發展治療各種疾病的藥物,在此的工作方向可以利用泛素所媒介的蛋白質分解機制去避免某些特定蛋白質的分解,也可以設計成讓這個系統將某一個不想要的蛋白質清除。已經有一個在進行臨床實驗的藥,那是一個稱為 Velcade(PS341)的蛋白解體抑制劑,可以用來醫治多重性骨髓瘤(multiple myeloma),這是一種會影響體內製造抗原的細胞的一種癌症。

今年的得獎者從分子的基礎上解釋了一個對高等細胞而言極為重要的蛋白質控制系統,由泛素所媒介的蛋白質分解機制所控制的細胞功能,現在一直不斷的有新的發現,而這方面的研究也在世界各地無數的實驗室中進行著。

參考資料

這份文章是譯自諾貝爾獎委員會公佈給大眾的閱讀資料:

http://nobelprize.org/chemistry/laureates/2004/public.html

有意進一步的瞭解就得詳讀以下資訊:

http://nobelprize.org/chemistry/laureates/2004/adv.html

原文附有一個很精采的動畫,對這個蛋白質控制系統有畫龍點睛之妙,推薦各位看看:

http://nobelprize.org/chemistry/laureates/2004/animation.html

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諾貝爾化學獎譯文_96
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「諾貝爾化學獎專題」系列文章,為臺大化學系名譽教授蔡蘊明等譯者,依諾貝爾化學獎委員會的新聞稿編譯而成。泛科學獲得蔡蘊明老師授權,將多年來的編譯文章收錄於此。 原文請參見:諾貝爾化學獎專題系列