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Step Up!舞出你的科學研究——2021 Dance Your Ph.D.得獎作品簡介

波留先生 M. Beaulieu_96
・2021/04/15 ・3096字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 542 ・八年級

美國科普記者伯罕農 (John Bohannon) 於 2008 年起,在《科學》(Science) 期刊與美國科學促進會 (American Association for the Advancement of Science, AAAS) 的贊助下發起「博士,跳起來 (Dance your Ph.D)」活動,請來諸多科學家與藝術家當評審,根據科學性、藝術性與創意性,在物理、化學、生物與社會科學領域中分別選出冠軍,並在這之中選出一組總冠軍,而這些「舞林盟主」們也將獲得 500~2000 美元不等的獎金。

雖說 2019 新冠病毒疾病 (COVID-19) 持續延燒,但主辦單位並沒有就此罷休,今 (2021) 年甚至新增 COVID-19 組,鼓勵各項領域的科學舞蹈家 (?) 嘗試為相關議題發聲。現在,就讓我們來一起回顧今年的得獎作品吧!

社會科學:科學很難?跳到你懂為止!

科學很難?跳到你懂為止!

奧地利卡爾.弗朗岑斯格拉茨大學 (University of Graz) 所展示的研究主題,為比較在小學中使用不同的教學技巧,如何影響小學生的學習。

如果有一天,小學老師授課的方式,變成各路門派的帶動跳,你覺得孩子會學得怎麼樣?彷彿表演藝術課的展演式教學 (performative teaching),比起傳統的教學方法,能讓學生學得更好嗎?

跟「博士,跳起來!」這個活動,貌似有異曲同工之妙。

影片中,表情誇張又愛演的師生三人,先以動作為各位示範學習新事物的三步驟,即命名 (naming)、定位 (locating) 與形容 (characterizing)。換句話說,我們要能敘述一個物件的名稱、它所在的位置,以及這個物件看起來像什麼東西,才算是有學到東西。

研究團隊將受試學生分為兩組,讓他們分別接受傳統教學與展演式教學。

在傳統教學的片段中,老師與學生只以口語表達作為交換知識的媒介,而老師也會給予回饋和反思,大概就是平常我們的上課方式。而在展演式教學中,孩子需要透過各種動作來「描述」一件事或一個東西,包含默劇 (pantomime)、模仿圖片裡的東西等,過程中老師不會有任何回饋。

究竟展演式教學擁有什麼樣的魔力?除了好玩,它真的能強化學生的描述能力嗎?趕快跟著影片裡比手畫腳的師生們一起動.起.來 (?)

物理界的 S.H.E.,看天團如何說唱大氣科學

物理界的 S.H.E.,看天團如何說唱大氣科學

能歌善舞的芬蘭赫爾辛基大學 (University of Helsinki) 團隊介紹「大氣中的分子簇如何聚集、組合與穩定」,不僅奪得總冠軍,影片裡的氣勢跟歌曲的洗腦程度,根本可以出道了吧。

大氣中的分子簇會影響雲的生成以及降雨。序幕中,空氣中一片亂飛到 ㄎㄧㄤ 掉的舞者,象徵著大氣層中蠢蠢欲動的各式氣體分子,其中,氨、DNA、高氧化合物 (HOM)、硫酸和水等氣態前體 (gaseous precursor) 會形成衍生性氣溶膠 (secondary aerosol),它們經過碰撞、聚集後會變成分子簇 (molecular clusters),最終成為可讓水分子附著其上的雲凝結核 (cloud condensation nuclei),並發展成一個個雲滴 (cloud droplet)。

然而,並不是所有分子都能功德圓滿,撞著撞著就在一起了。

因此,研究團隊利用化學、物理與電腦的知識與技術,試圖在組態空間 (configurational space) 中模擬出穩定且不易蒸發掉的分子簇結構。

除此之外,他們以各種不同的方式排列分子,並設計程式對它們加以探索,把蒐集到的資料放到更進階的模型裡分析,再以大氣團動態編碼 (atmosphere cluster dynamic code, ACDC) 預測簇團的生成率 (formation rate),藉此分析適合分子簇發展的大氣條件。

雖然這部影片沒有交代太多實驗細節,但就詞曲與畫面的契合度來說,真的令人歎為觀止。

被化學家耽誤的演員,第一次飾演原子就上手

被化學家耽誤的演員,第一次飾演原子就上手

再來是舞風獨特的化學獎,由麻省理工學院 (Massachusetts Institute of Technology, MIT) 博士,現為軟體工程師的米奈爾 (Mikael Minier) 奪得,而他的主題是利用仿生配體 (biomimetic ligands) 複製甲烷單氧化酶 (Methane monooxygenase),並深入研究分子在溶液裡的反應與狀態。

由於存在強大的 C-H 鍵結,將甲烷 (methane) 氧化成甲醇 (methanol) 的過程相當艱難。不過,我們可以透過甲烷單加氧酶與氧氣的反應,將其內含的二價鐵(Fe2+)高度氧化,形成極強的氧化劑 (oxidant),如此一來就能順利地把甲烷給「掰彎」啦!(誤)

為了解析甲烷單氧化酶氧化甲烷的過程,米奈爾將仿生配體與鐵形成二鐵 (diiron) 錯合物晶體,並還原 Fe2+ 活性位點的結構,然後著手研究化學反應中是否存在其它不穩定的中間產物。先不論米奈爾的實驗最後是否有成功,但無論是身著紅藍上衣跳著機械舞的鐵原子先生,還是跳著大風車的核自旋,每個角色都超有戲,讓我們也能從原子的視角理解化學變化。

生物組:你當我是塑膠膩?

你當我是塑膠膩?

法國勒芒大學 (Le Mans Université) 生理學博士朱利安 (Fanon Julienne) 等人,則以類似歌舞劇的方式為大家介紹「塑膠材料的光分解作用」。

整體風格相當文藝的生物組得獎作品,以老奶奶為孩子說故事打開序幕,從簡介的草寫字體、具有目錄作用的色鉛筆畫,到希臘神話故事般的人物設定,每個環節都很引人入勝。

為了展示塑膠在各種環境條件下的老化過程,舞者們分別扮演太陽、水分子,以及排列陣勢不同的塑膠──聚乙烯 (polyethylene, PE) 和聚丙烯 (polypropylene, PP) 分子鏈 (molecular chain),並跳著熱情的舞蹈,還原塑膠與環境的互動狀態。

像是暴露在紫外線底下的塑膠,其分子鏈會產生鏈切斷 (chain scissions) 並與空氣中的氧產生氧化反應,造成塑膠表面硬化、收縮;而水則會減少塑膠在水裡的剛度 (rigidity),使塑膠更容易產生裂解。此外,不同的晶體型態,也會產生不同的老化與裂解結果和裂紋方向。

想知道更多塑膠的裂解之謎嗎?快跟著塑膠分子們洞次洞!

引發 COVID-19 的病毒體,也跳給你看

塑膠跳,塑膠跳,塑膠跳完病毒跳~

引發 COVID-19 的病毒體,也跳給你看

美國俄勒岡州立大學 (Oregon State University) 推出的影片,則是介紹病毒的核殼蛋白 (nucleocapsid protein) 研究,期待能藉此找到阻斷病毒 RNA 複製的方法。

影片一開始,一位身著黑衣的女子在海邊優雅地旋轉飛舞,她就是病毒體裡的核殼蛋白。在病毒體 (virion) 裡,病毒的遺傳物質 RNA 與核殼蛋白接在一起,若要釐清病毒體的結構與複製方式,就必須多瞭解核殼蛋白。

在舞蹈的佈局上,創作者相當用心,以硬派的舞風跟柔軟的身段,分別詮釋結構較頑強且被固定在特定位置上的蛋白,以及結構較具彈性的無序蛋白 (disordered proteins)。

而導致 2019 新冠病毒疾病 (COVID-19) 的病毒體 SARS-CoV-2,其核殼蛋白也含有部分無序蛋白。在 NMR 裡無線電射頻脈衝的幫助下,這群跳到快要失心瘋的蛋白們便開始自旋排列 (spin arrangement),好讓研究者瞭解蛋白的結構與運動方式。

在這之後,利用突變或轉譯後修飾 (post-translational modifications, PTM) 技術對蛋白加以調整,就可以知道這些外來物如何影響蛋白與它的功能,並在熟悉 RNA 的鏈結方式後開發藥物,阻止蛋白與 RNA 鏈結,限制病毒的能力與複製力。

誰說科學學術論文只能是「紙上談兵」?與其聽科學家嚼著一堆方程式、計算模型跟天書般的數學題,不如來欣賞他們的舞蹈,或一起下去跳一場吧!

參考資料

  1. Dance Your Ph.D. (n.d.). Wikipedia.
  2. Moutinho, S. (2021, Mar. 3). Watch the winners of this year’s ‘Dance Your Ph.D.’ contest. Science
  3. Official rules for Dance Your Ph.D. contest. (n.d.). Science.

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波留先生 M. Beaulieu_96
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曾當過兩三年的職能治療師,在體力正式走下波前轉戰出版業,現為出版社圖文編輯,並斜槓各式聲音工作。


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Paxlovid能有效降低死亡風險嗎?COVID-19口服藥現況

台灣科技媒體中心_96
・2022/05/17 ・2421字 ・閱讀時間約 5 分鐘
示意圖/envato elements

今年四月台灣宣布將走向「重症清零,輕症管控」:非放任病毒肆虐式「與病毒共存」(living with covid-19) 的控管疫情策略。 若需要達到「重症清零,輕症管控」的目標,醫療人員的支援與 COVID-19 藥物的使用,將是關鍵手段,對於感染後容易導致重症的個案,也需要有抗病毒藥物來治療或預防惡化

目前有哪些治療新冠肺癌的藥物?

目前首度獲得美國 FDA 許可的抗新冠藥物「Remdesivir」 (瑞德西韋),是透過抑制病毒的 RNA 合成酶達到藥效。美國 FDA 更在近期批准,注射液劑型的 Remdesivir 適用於「出生 28 天及以上、至少 3 公斤」的嬰幼兒染疫患者,成為首款嬰幼兒的新冠療法

然而注射液劑型需要專業的打針技術,並非一般民眾可居家自行使用,因此抗新冠口服藥物的開發,各國一直都很重視。現行已通過美國 FDA 緊急使用授權(EUA)的抗新冠口服藥物,有輝瑞公司研發的「Paxlovid」,以及默克(或稱默沙東)公司研發的「Molnupiravir」(莫納皮拉韋)

而 Paxlovid 是由 Nirmatrelvir(奈瑪特韋)和 Ritonavir(利托那韋)兩種藥物所搭配使用,其中 Nirmatrelvir 主要作用是抑制新冠病毒的 Mpro 蛋白酶活性,進而干擾病毒的複製,達到抗病毒的效果。而 Ritonavir 則是能延長 Nirmatrelvir 在人體內的血中濃度,透過抑制人體內正常酵素 CYP3A4 酵素活性,避免 CYP3A4 快速將 Nirmatrelvir 代謝掉,而失去 Nirmatrelvir 該有的藥效。

這兩個藥物所構成的 Paxlovid 好像一對好夥伴互相協助,成為具有高效力的口服抗新冠藥物

Paxlovid 能有效降低死亡風險?

Paxlovid。圖/ Kches16414 , CC BY-SA 4.0

根據文獻指出,Paxlovid 能降低 COVID-19 感染後的 85-89% 住院或死亡風險,是目前對抗新冠肺炎最佳的選項之一。《新英格蘭醫學期刊》(NEJM)期刊於上個月發表最新 Paxlovid 臨床試驗的研究報告:「Oral Nirmatrelvir for High-Risk, Nonhospitalized Adults with Covid-19」證實,使用 Paxlovid 治療未施打疫苗且有症狀的 Covid-19 患者,能將 Covid-19 的重症風險降低 89%,且藥物的安全性在臨床上可接受,且沒有明顯的安全問題。

不過,此研究個案限於未施打疫苗者,而目前大多數人已經接種過新冠肺炎疫苗,情況略有不同。已有將此藥使用於已施打過疫苗者的研究正進行中,但若在未施打者有幫助,對於施打過疫苗而可能具有部分保護力的人,推測仍應會有治療效果,此研究是在症狀出現三天內給藥得到良好的效果,至於再晚一些時後才給藥,就沒有數據可參考。

但需要注意的是,有在服用其他藥物的患者(如:降血脂、抗腫瘤藥或神經精神藥物等),若服用 Paxlovid 會影響 CYP3A4 的作用,可能也會改變其他藥物的作用效果,若藥物在血中濃度無法被安全控制,往往對病情有負面的影響。因此服用 Paxlovid 需要有專業醫師的評估並開立處方簽才能使用,民眾無法自由服用

Paxlovid 需要有專業醫師的評估並開立處方簽。圖/envato elements

Molnupiravir 口服藥的表現又是如何?

病毒在複製的過程當中,往往需要大量的核糖核苷(ribonucleoside),作為合成新的病毒所需要的材料。而 Molnupiravir 口服藥,是一種「核糖核苷類似物」,也就是病毒在複製所需要的「冒牌」材料,透過這樣的方式干擾病毒的複製過程,進而阻止病毒的繁殖

Molnupiravir 不會像 Paxlovid 去影響到其他藥物在體內的作用,然而這些核糖核苷類似物在人體細胞進行複製的時候也會使用,所以可能具有誘導基因突變的風險

雖然一般來說,口服 Molnupiravir 的療程只有 5 天,在這樣的時間周期來說,對一般成人造成基因突變的風險是很低。但是,Molnupiravir 對於胎兒或哺乳中的嬰兒,風險就顯得高出許多。所以,Molnupiravir 在默克公司的官方網站有聲明,不建議孕婦及哺乳中的女性服用

此外,根據新英格蘭醫學期刊在今年三月的報告中,發現將 Molnupiravir 用於非住院的新冠患者治療中,僅僅將高危新冠患者的住院和死亡風險降低了 30%,低於早前估計的 50%。

Molnupiravir 不建議孕婦及哺乳中的女性服用。圖/envato elements

「老藥新用」的開發策略

環顧目前的抗新冠藥物,大都是利用「老藥新用」(drug repurposing)的藥物開發策略,才能在這麼短的時間達到如此的成就。「老藥」是指已被核准做為臨床使用的藥物,「新用」則是指由原來已核准的藥物中發現新的適應症用途或是新的用法。

老藥的好處就是其藥物臨床前的數據都已經被建立,其中包含藥理實驗、藥物動力學、代謝途徑、副作用等,這些數據對藥物開發相當重要。

在目前這些新冠藥物中,瑞德西韋一開始是用來開發對抗伊波拉病毒,而 Paxlovid 中的 Nirmatrelvir 原先用以治療愛滋病,此外 Molnupiravir 則是為了治療流感。這樣的成功經驗相信能提供政府與學者參考,期望台灣開發新冠藥物有亮眼的成績,也讓我們未來在對抗 COVID-19 疫情當中有更好的手段。

引用文獻

  1. Hammond, Jennifer, et al. “Oral nirmatrelvir for high-risk, nonhospitalized adults with COVID-19.” New England Journal of Medicine 386.15 (2022): 1397-1408.
  2. Coronavirus (COVID-19) Update: FDA Approves First COVID-19 Treatment for Young Children
  3. Coronavirus (COVID-19) Update: FDA Authorizes First Oral Antiviral for Treatment of COVID-19
  4.  Coronavirus (COVID-19) Update: FDA Authorizes Additional Oral Antiviral for Treatment of COVID-19 in Certain Adults
  5. Hammond, Jennifer, et al. “Oral nirmatrelvir for high-risk, nonhospitalized adults with COVID-19.” New England Journal of Medicine 386.15 (2022): 1397-1408.
  6. Cox, Robert M., Josef D. Wolf, and Richard K. Plemper. “Therapeutically administered ribonucleoside analogue MK-4482/EIDD-2801 blocks SARS-CoV-2 transmission in ferrets.” Nature microbiology 6.1 (2021): 11-18.
  7. Jayk Bernal, Angélica, et al. “Molnupiravir for oral treatment of Covid-19 in nonhospitalized patients.” New England Journal of Medicine 386.6 (2022): 509-520.

臨床試驗

  • EPIC-HR: Study of Oral PF-07321332/Ritonavir Compared With Placebo in Nonhospitalized High Risk Adults With COVID-19(NCT04960202

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