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如何運用細胞機制改善脂肪肝?先來認識什麼是泛素與細胞自噬

研之有物│中央研究院_96
・2021/07/05 ・4727字 ・閱讀時間約 9 分鐘

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|寒波
  • 美術設計|林洵安

細胞小小一顆,內部運作卻複雜無比,堪比現代化城市,生產、物流、回收與廢棄物清運,每個環節都要考慮平衡,時時應付變局。中央研究院生物化學研究所的陳瑞華特聘研究員,發現細胞兩大資源回收系統的特殊互動:透過泛素─蛋白酶體系統來調控細胞自噬。簡單來說就是,細胞在一般狀況下如何維持平衡,面臨逆境時怎麼力挽狂瀾。在研究過程中,負責脂肪代謝的肝細胞當然也沒有缺席,將來我們對細胞自噬有更多瞭解時,就可能開發出有效控制非酒精性脂肪肝的藥物。論文於 2021 年 2 月發表於《自然通訊》(Nature Communications)。

細胞分解蛋白質的兩套系統:泛素與細胞自噬

細胞內的蛋白質零件如有損壞,就需要分解與回收,主要依靠各有所長、也能互補的兩套回收系統:一套是「泛素─蛋白酶體系統」(ubiquitin-proteasome system,簡稱 UPS ),另一套是「細胞自噬溶酶體系統」(autophagy-lysosome system)。

上圖是細胞內兩大資源回收系統,「泛素─蛋白酶體系統」與「細胞自噬─溶酶體系統」。
圖/研之有物(資料來源│陳瑞華)

雖然 autophagy 的中文翻譯為「細胞自噬」,不過當細胞自噬啟動時,其實不是直接自我毀滅,而是在受到外在壓力時改善狀態、自我拯救。此一領域的先驅大隅良典(Yoshinori Ohsumi)在 2016 年獲得諾貝爾生理學或醫學獎。如今我們知道,細胞自噬可分為多種,可針對細胞內各種老舊廢物和有害物質進行分解,包含可溶及不可溶的蛋白質以及非蛋白質分子(例如後續會提到的脂肪)。

另一套細胞清運系統「泛素─蛋白酶體系統」處理的對象通常是可溶蛋白質。泛素會直接與目標結合做上記號,標記的目標會送往蛋白酶體分解。羅斯(Irwin Rose)、赫什科(Avram Hershko)、切哈諾沃(Aaron Ciechanover)藉此獲得 2004 年的諾貝爾化學獎。隨著研究愈來愈多,有些學者發現,兩套系統有時候會互相影響。

陳瑞華原本的研究對象是各種蛋白質修飾,而泛素化作用就是一種修飾蛋白質的方式,這使得她投入泛素的領域,開始探索蛋白質的分解與回收,也注意到泛素與細胞自噬有所聯繫的問題。道理其實不難想像:兩套系統的運作都涉及很多蛋白質,而這些蛋白質零件本身,也會成為需要分解或回收的對象。

泛素與細胞自噬的正向調控者「TRABID」

細胞自噬可分為很多種,陳瑞華關注的是依賴泛素的細胞自噬。一開始的切入點,是尋找促進細胞自噬的酵素。

把泛素加到目標蛋白質上頭的酵素叫作「泛素連接酶」(ubiquitin ligase),反之則是「去泛素酶」(deubiquitinating enzyme,簡稱 DUB)。人體有非常多種去泛素酶,測試 92 種之後,TRABID 最符合預期。增加這個酵素的作用能促進細胞自噬,可謂正向調控者。

泛素接合蛋白質分子的各種複雜情況,陳瑞華關注的酵素之一是負責切除 K29 與 K48 分支的去泛素酶「TRABID」。圖/研之有物(資料來源│陳瑞華)

泛素是由 76 個氨基酸組成的小型蛋白質,可以直接結合目標,也能互相串聯形成泛素鏈。

泛素的序列中,第 1 個氨基酸是甲硫氨酸(methionine,縮寫為 M),再來還有 7 個離胺酸(lysine,縮寫為 K),這些位點都能夠彼此修飾串聯,因此形成複雜的排列組合,這樣就賦予了泛素鏈多變的形式。

如果整串泛素鏈皆由同一種串聯組成,稱為同型鏈(homotypic chain)。根據泛素串聯的位置,可分為 M1、K6、K11、K27、K29、K33、K48、K63 共 8 種;而整串泛素鏈由不同種串聯組成的叫作異型鏈(heterotypic chain),又可以分為非支鏈型和支鏈型(branched)。

抑制泛素,促進細胞自噬

每種酵素都有專屬的催化對象。去泛素酶 TRABID 促進細胞自噬的專屬催化對象又是誰呢?

TRABID 可以去除 VPS34 上面的泛素分支(K29、K48),促進細胞自噬作用。圖/研之有物(資料來源│陳瑞華)

關鍵在於另一個酵素 VPS34,VPS34 是形成自噬小體的重要蛋白,全名為第三類磷脂肌醇 – 3 – 激酶複合體(class III PI3-kinase complex)。VPS34 會受到 K29、K48 泛素化修飾,令其遭到分解;而去泛素酶 TRABID 可以去除泛素,使 VPS34 不被分解。如此一來,激酶 VPS34 便可以促進細胞自噬的發生。

但這裡可看到一處蹊蹺:VPS34 受到 K29、K48 抑制,可是 TRABID 只能切到 K29,K48 應該不是它的處理範圍呀?合理的推論是:K29 和 K48 以異型鏈的形式一起作用,所以去泛素酶 TRABID 直接切除 K29 的同時,也間接切掉並不直接接觸的 K48。

圖片為 TRABID 切除泛素分支的細節,原來是在切除 K29 的同時,也間接去掉 K48。圖/研之有物(資料來源│陳瑞華)

泛素與細胞自噬的負向調控者「UBE3C」

細胞為了維持平衡,調控可謂一環扣著一環。既然存在針對激酶 VPS34 的去泛素酶,更早以前又是誰替 VPS34 加上泛素呢?過往研究發現,標記 K29、K48 的泛素連接酶叫作 UBE3C,而且是以支鏈連結。

調控基因表現可分為多個層次。基因會先轉錄為 mRNA,再轉譯為蛋白質;而泛素的調控屬於後轉譯修飾,也就是鎖定完工的蛋白質,卻不影響 mRNA 的階段。實驗結果指出,泛素連接酶 UBE3C 的作用一旦增強,激酶 VPS34 的 mRNA 表現量並不改變,但是蛋白質量下降,符合泛素該有的後轉譯調控方式。

TRABID 與 UBE3C 共同調控 VPS34 的示意圖,TRABID 會促進細胞自噬作用;反之,UBE3C 則會抑制細胞自噬。圖/研之有物(資料來源│陳瑞華)

泛素連接酶 UBE3C 作用下會減少細胞自噬,可謂細胞自噬的負向調控者。但是問題又來了,如何證明 UBE3C 催化激酶 VPS34 進行 K29、K48 支鏈型泛素化?之前的研究方法僅能提供間接證據。

幸運的是,陳瑞華領導的這項研究還沒結束時,另一位專精泛素的學者發表一種新的分析方法,剛好可以回答上述問題。前面提過,泛素有很多種結合型式,理想的分析應該能區別支鏈型和非支鏈型泛素化,這就是「泛素剪裁法」(Ub-clipping)。

釐清泛素與泛素的連結──改造自口蹄疫病毒的分析工具

許多分子生物學的工具最初來自微生物,如限制酶(restriction enzyme)、PCR,以及當紅的 CRISPR 基因編輯,泛素剪裁法也不例外。

口蹄疫病毒(foot-and-mouth disease virus)感染細胞時,一如所有入侵者會受到抵抗;細胞利用 ISG15 蛋白質攻擊病毒,而病毒也會用蛋白酶(protease)反擊。有科學家注意到: ISG15 的形狀就像兩個泛素的合體,而口蹄疫病毒的蛋白酶專門針對這種結構。既然如此,這類蛋白酶是不是能用於切割連成一串的泛素呢?

上述構想後來成功,人為改造過的蛋白酶「Lbpro」,能精確地切割泛素與泛素之間的「RGG」氨基酸連結。被蛋白酶切完落單的泛素,上頭會連著兩個甘胺酸(glycine,縮寫為 G),假如本來是直鏈只會有 1 個 GG,原本為支鏈則會有 2 個 GG。

1 或 2 個 GG,這就造成重量上的落差。分子間這般的重量差異儘管很小,仍然足以被質譜儀分辨出來,這就是泛素剪裁法的威力。

透過口蹄疫病毒的啟發,人工合成的蛋白酶 Lbpro 可以精準切割泛素之間的 R-GG 鏈結,讓研究人員得以透過質譜分析,輕易辨識出泛素的直鏈與支鏈結構及相對含量。圖/研之有物(資料來源│陳瑞華)

藉由新法助陣,陳瑞華團隊取得可靠的證據,看到泛素分支確實形成,證明泛素連接酶 UBE3C 確實將 K29 和 K48 以支鏈的形式標記到激酶 VPS34 之上。這也是泛素剪裁法,首度被用於細胞自噬的相關研究。

日常保持平衡,危局力挽狂瀾

在瞭解泛素、VPS34、TRABID 與 UBE3C 之後,我們來梳理一下資訊吧。所謂開關、開關,有開就要有關。一系列實驗指出,是否啟動細胞自噬受到 3 個酵素影響:一旦泛素連接酶 UBE3C 加上支鏈修飾,令激酶 VPS34 被拖去摧毀,細胞自噬將受到阻止;若是去泛素酶 TRABID 發揮作用,令 VPS34 保持穩定,細胞自噬就會發生。

細胞處於普通或匱乏(starvation)狀態時,加泛素與去泛素的酵素,以互相對抗的態勢保持平衡。細胞面對危局時,原本的平衡遭到打破,細胞自噬成為一種自我救贖的手段。

陳瑞華團隊進一步實驗發現,內質網與蛋白質毒性壓力(ER and proteotoxic stresses)之下,泛素連接酶 UBE3C 會轉移位置到蛋白酶體;除掉拘束器(也就是UBE3C)之後,激酶 VPS34 便能促進細胞自噬發生,改善細胞狀態,提高生存機率。

上圖是細胞處於普通或匱乏狀態時,平衡的細胞自噬活動。下圖則是細胞在內質網與蛋白質毒性壓力之下,開始觸發增進細胞自噬的活動,確保內質網與蛋白質正常。圖/研之有物(資料來源│陳瑞華)

未來有望應用到脂肪肝治療

細胞自噬是大部份細胞自我調整、保持平衡的重要手段,在某些特殊組織更扮演重要角色,例如肝細胞的代謝。過去研究發現,如果細胞自噬功能缺失,容易導致脂肪肝形成。

陳瑞華團隊使用小鼠作實驗動物,探討細胞自噬在非酒精性脂肪肝疾病(non-alcoholic fatty liver disease,簡稱 NAFLD)中的角色。在連續 12 週餵食高脂肪飲食後,享受高油脂大餐的快樂小鼠們體型明顯增大,對照組注入一般腺病毒,實驗組則注入帶有 TRABID 基因的腺病毒,繼續觀察 4 週。

細胞在受到高脂食物的刺激下,傾向降低細胞自噬活動,VPS34 經過泛素化之後降解。肝臟代謝功能受到影響,促進肝臟脂肪推積。圖/研之有物(資料來源│陳瑞華)
餵食高脂肪飼料之後,對照組與實驗組小鼠的肝臟示意圖。圖/研之有物(資料來源│陳瑞華)

兩種不同處理之下,高脂餵食且注入一般腺病毒的對照組,肝臟細胞皆充滿脂肪,而且去泛素酶 TRABID 和激酶 VPS34 的表現量,以及細胞自噬的活性都明顯降低。而注射了 TRABID 基因的實驗組,因為人為促進了去泛素酶 TRABID 的表現,引發細胞自噬作用防止肝臟脂肪形成。

從實驗組的數據可以發現,小鼠多項脂肪相關的指標都有所降低,證實細胞自噬確實有阻止脂肪肝的作用,對肝臟代謝十分重要。這次的動物實驗是透過注射基因提升 TRABID 表現,如果未來能找到促進 TRABID 表現的藥物或關鍵小分子,則可望應用在非酒精性脂肪肝的治療或保健食品。

調控機制的平衡與不平衡

陳瑞華的研究成果讓我們對細胞自噬的調控又多一分認識。看起來好像很難,但是概念歸納起來並不複雜。調節細胞自噬的邏輯是一來一往的平衡(homeostasis),正向調控者作用,細胞自噬發生,反之亦然。

細胞自噬的基本機制,各種細胞多半是共通的;泛素在其中扮演阻止的角色,藉由控制泛素,便能有效影響細胞自噬。假如碰上逆境,需要促進細胞自噬時,抑制泛素即可達到目的。

在肝細胞中,細胞自噬有其特殊作用。假如細胞自噬的功能缺失,會影響脂肪代謝,長期下來可能導致脂肪肝病變;反之,若能在需要時能夠促進細胞自噬,未來脂肪肝治療就有新的契機。

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既是科學家,也是樂團鼓手!──專訪數學物理學家程之寧

研之有物│中央研究院_96
・2022/03/11 ・5978字 ・閱讀時間約 12 分鐘

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|郭雅欣、簡克志
  • 美術設計|林洵安、蔡宛潔

在學術與搖滾的多重維度上行走

還記得美劇《The Big Bang Theory》嗎?劇中常常出現的物理名詞「弦論」,是描述物理世界基本結構的理論。中央研究院「研之有物」專訪院內數學研究所程之寧研究員,她正是研究弦論的科學家,也是熱愛音樂的搖滾樂團鼓手,這種跨領域身份並不衝突,兩邊都需要創造力與紀律。由於天生斜槓的性格,讓程之寧在數學和物理領域大展身手,透過數學的深入探討,她試圖將弦論更往前推進。最近程之寧更跨足到人工智慧領域,為學界提供理論物理上的貢獻。

中研院數學所程之寧研究員,主要研究 K3 曲面(特殊的四維空間)的弦論,她發現模函數和有限對稱群之間有 23 個新的數學關聯,稱之為「伴影月光猜想」(Umbral Moonshine)。圖/研之有物

萬有理論和難以捉摸的「月光」

世界從那裡來呢?物理世界的本質是什麼呢?回答這樣的大哉問,一直是理論物理學家所追求的目標。從牛頓力學(日常應用)、廣義相對論(探討很重的物質)到量子力學(探討很小的物質),隨著物理學不斷發展,我們似乎一步步接近答案,但至今卻還未走到終點。

舉例來說,如果有個東西很重又很小,就像「黑洞」,或是大爆炸時的宇宙,我們要怎麼用數學描述?於是科學家試圖整合廣義相對論和量子力學,找出所謂的「萬有理論」(Theory of Everything)──能完全解釋物理世界基本結構的核心理論。

程之寧研究的「弦論」就企圖發展成這樣一個萬有理論。弦論一如其名的「玄妙」,它設定宇宙所有的粒子都是由一段段「能量弦線」所組成,每一種基本粒子的振動模式不同,產生不同的粒子特性。

「人類一直以來的夢想之一就是,如果能用一句話解釋所有事情,那該有多麼美好。」中研院數學所研究員程之寧說道。

程之寧的研究牽涉到數學上的「月光猜想」(Moonshine)與弦論中 K3 曲面的連結。月光猜想是存在於模函數係數與特殊群之間的數學關聯,程之寧與其研究夥伴共發現了 23 個新的關連,並稱之為「伴影月光猜想」(Umbral Moonshine)。

基於弦論的假設,我們的世界是十維的,除了人們在日常生活中可以感知到的 3+1 維(空間+時間),還有六維是因為尺寸太小而無法用肉眼觀察的,這些看不到的維度影響著物理世界,最終也產生了我們這個物理世界所需的各種條件與特性。

綜觀程之寧的研究,橫跨了物理與數學兩個領域,她笑稱自己「天生斜槓」。在學術上,程之寧原先喜歡文學,之後卻走上數理研究的道路;在音樂上,程之寧喜愛搖滾樂,至今仍在自己的樂團裡擔任鼓手。

她如何看待自己一路走來的各種轉折?游徜在數學與物理之間,她又對這兩個領域的連結有怎樣的體會?在與「研之有物」的訪談中,程之寧侃侃而談她的經歷、想法,以及對學術研究的熱忱所在。

在弦論的設定中,宇宙所有的粒子都是由一段段「能量弦線」所組成,每一種基本粒子的振動模式不同,產生不同的粒子特性。圖/iStock
  • 請問您是如何對數學及物理產生興趣?從何時開始?

一開始考大學時,其實我想去念中文系(笑)。不過,因為我高中是選理組,而且只念了一兩年,對文科考試比較沒把握,加上對工程科系沒興趣,最後就選擇臺大物理系就讀。

後來發生兩個轉折,第一個是我很認真的去修了大學中文系的課,結果發現真的沒有想像中容易。第二個就是我發現物理系的課還蠻有趣的,像量子力學和相對論,讓我覺得還想再多學一點、多知道一點。

我開始覺得如果念完臺大物理系就停下來,好像有一種小說沒讀完的感覺,所以就想繼續讀碩士班。那時還沒有覺得自己會走上學術研究的路,單純抱著想把故事看完的想法。

  • 後來是如何接觸到弦論?弦論是如何引起您的興趣?

後來我去荷蘭念碩士,指導教授是諾貝爾物理獎得主 Gerard ’t Hooft。他其實蠻不認同弦論,但他對於如何處理量子力學與相對論很有興趣。

當時 ’t Hooft 教授在建議我碩士題目時就說:「你也知道我不太認為弦論是一條正確的道路,不過聽說弦論最近真的在量子重力這一塊有一些成果。不如妳去讀一讀,看看是不是真的有一些東西在那裡,也可以比較一下其他量子重力理論。」

在我很認真的比較各個量子重力理論之後,就變成弦論派了(笑)。’t Hooft 教授對此也保持開放態度,他有幾個不錯的博士生後來也變成弦論學家,之後我在 Erik Verlinde 的指導下念博士時,就完全以弦論為研究主題了。

  • 研究理論物理會影響您對現實世界的理解嗎?

蠻多人會問我說,妳學了量子力學,是不是就會比較了解這個世界不是非黑即白?或問我量子力學跟宗教是不是有關?可是我覺得我分得很開,我不會去做這樣的連結,我還是活在現實裡,走路時大部分都在專注於自己不要跌倒之類的。

如果真的要講,我蠻感激我們的存在,因為我所學的東西讓我知道這是沒有必然性的。我們能這樣以一種人形的很奇怪的生物的形式存在,然後在這樣一個環境過一輩子,是機率很低的事情,而且我還蠻開心我是當人,而不是奇怪的阿米巴蟲或外星生物!有些人會從這裡連結到宗教或轉世,但我不會,我就停在這裡。

  • 來談談您的研究,伴影月光猜想與 K3 曲面弦論之間是什麼關係?

弦論中有很多的可能性,我們可以挑選特定的四維,然後假設這四維空間是個 K3 曲面。例如說,我們可以把兩個甜甜圈乘起來,在上面做特殊的奇異點,來製造出一個 K3 曲面。這個曲面有一些很有趣的對稱性。從弦論的角度來講,我們可以透過這個過程,找出一個解釋為何有伴影月光猜想的框架。

「把維度乘起來」這個概念很難想像,但這在數學上是成立的。我舉例一個我們能想像的「乘起來」:如果有一個空間是一條線,另一個空間是一個圓,乘起來就變成一個圓柱形,從一個方向剖面可以切出圓,另一個方向則切出線。而在數學上,不管幾維,能不能在紙上畫的出來,都可以這樣操作。

程之寧向「研之有物」採訪團隊解釋「把維度乘起來」的概念。圖/研之有物
  • 如何透過計算,發現捉摸不定的「月光」?

有時候這看似湊巧,一個數學上的函數正好就是弦論某個問題的答案。但其實並不是真的那麼巧,弦論看起來很有彈性,好像什麼都可以解釋,但它其實有非常多結構及限制。

當我在計算一個弦論理論時,它的內部結構可能原本就具有某些特定的性質,然後我再去觀察數學中,有這樣性質的函數可能就只有一兩個,只要再初步算一下,就能知道哪一個是答案。弦論學家日常的計算常常是這樣的,所以這是巧合嗎?是也不是。

  • 您曾經發現 23 個新的伴影月光猜想,您對這類題目特別有興趣嗎?

我覺得數學有兩種,有些數學家喜歡系統性的事情,就像蓋房子一樣,在數學裡建造一個很美麗、非常有系統性的結構,可以把很多事情都放入這個結構來理解。

另一種比較少數的,就是喜歡獵奇,去收集分類奇奇怪怪的特殊東西,例如有這些性質的函數在哪裡?可能你算出來就是 5 個,你也不知道為什麼。月光猜想很明顯就屬於這一類。

兩種的樂趣感覺是不一樣的,我覺得應該都很棒,但我可能是屬於偏好獵奇的這種。

  • 您的研究連結了物理上的弦論與數學上的月光猜想,您怎麼看待這兩個知識體系的互動?

弦論是一個需要很多數學理論配合的物理理論,它是一個有點繁複的框架,我們什麼都要會一些,才能看懂這個理論。當你把許多不一樣的學門的知識加起來,有時候就會在某一個學門──例如幾何──有意想不到的收穫。

弦論在數學上也扮演探索與找尋新方向的角色,讓數學家有新的發現。雖然最後數學定理的證明還是得仰賴傳統數學方法,但在這二三十年間,我們一直從弦論身上找尋數學研究的新方向或有趣的猜想,看到了弦論與數學之間的互動。

數學家有兩種,一種人喜歡建立美麗又有系統性的結構,另一種人喜歡尋找和收集奇怪特殊的數學物件(比如函數),程之寧表示自己屬於後者。圖/研之有物
  • 剛才一開始提到,您高中只念了一兩年,是因為對學校沒有興趣嗎?

其實我一直都覺得上學很無聊。我小時候臺灣教育和現在很不一樣,一班 50 幾個人,老師必須盡量軍事化管理,大家最好都一模一樣,比較好管理。我和學校一直處於互相磨合的狀況,我自認已經努力配合學校,但學校一直覺得我在反抗,這可能是一個認知上的差別。

舉例來說,我小學的時候不想睡午覺,可是老師說大家都一定要睡午覺,不睡午覺的人要罰抄課文,所以我早上到學校時就會把已經抄好的課文交給老師。我覺得我這樣做是在配合老師的規定,可是以老師的立場會覺得我在反抗,學校教育中我遇到了很多類似的情況。

還有就是不喜歡高中的升學氛圍,同學和老師好像都只有一個活著的目標,就是「考大學」。我當時無法習慣升學氛圍,感覺好像活在平行宇宙一樣。

  • 高中休學後,您去唱片行工作,可否談談當時的想法?

我國中開始聽音樂,這是我除了看書之外的重要興趣,我也很快就喜歡上了搖滾樂。高中休學的時候,我唯一的謀生技能可能就是我對音樂的各類知識吧!所以我就去了唱片行,這是唯一一個我會做又有興趣的工作,還好那時候還有很多唱片行(笑)。

  • 對音樂的熱忱,讓您與朋友共組了樂團,並擔任鼓手。您是否比較過樂團生活和學術研究之間的異同之處?

有些人覺得我這樣很跳 tone,但我自己覺得還好。音樂和學術都是我發自內心覺得好玩的東西,兩者也有相同之處,例如它們都需要創造性,也都有需要了解的框架。數學需要嚴謹的證明,音樂演奏也需要遵循結構,例如不能掉拍。

音樂領域還有一點和數學類似──玩樂團的圈子也是以男性為主。我們樂團則是只有一個男生,其他都是女生,可能我真的天生對框架有點遲鈍,玩團之後才發現:「怎麼大家都是男生?」

程之寧表示,學術界仍有許多性別不平等問題未受重視。圖/研之有物
  • 也就是說,目前數學學術圈仍是男性主導,在研究路上,您有因為性別而感受到一些衝擊或眼光嗎?您怎麼面對?

有。那感覺很明顯,日復一日地要去面對,尤其是年紀還比較輕、還必須每一天去證明自己的能力的時候,特別有感。

我遇到時的反應就是,在心裡暗罵一句髒話,然後繼續做我要做的事。我不會想改變別人的想法,感覺那是浪費時間,就算環境給我的阻礙是這樣,我還是繼續去做該做的事。

可是有些事情沒那麼簡單,現在我也當過老師,有時候會看到年輕女生在學術界因為性別而被欺負,或遭到不公平待遇、甚至騷擾。

對此我感到心痛,覺得為何我們學術領域還是這樣的狀況?甚至為什麼性騷擾至今還是一個議題?可以確定的是,學術界許多性別不平等問題未受到重視。

  • 您現在已經有傑出的研究成果,還會因為性別而遭受質疑嗎?

我現在比較會遇到一個狀況反而是來自學生的質疑。我在荷蘭阿姆斯特丹大學教書時,有時候學生會因為我是女教授,而且我的外表在許多歐洲人眼中看起來就像小妹妹,所以比較容易去挑我的毛病。

在課堂上,下面坐的可能都是男學生,只有一兩個女學生,那個氣氛就會變得很奇怪。例如說偶爾會聽到學生評論我的身材或樣貌。

我有和其他一些在歐洲或美國的女性教授聊過這樣的問題,似乎不少人都有類似的不太愉快的經驗。感覺不是很好。

  • 看到您最近的研究和人工智慧(AI)有關,為何會想往這個方向發展?

我有兩個動機。一個就是我真的想深入了解人工智慧。我也可以像普羅大眾,看看 AI 下圍棋,讚嘆「哇!好厲害!」這樣就好,可是我覺得我一定可以真的去理解它,這可能就是數學家的自大吧!

另一方面,我知道對科學研究來說,未來 AI 將會是一個非常重要的工具。這是「在職訓練」的概念,我可能會用到這個新工具,或以後我可能會需要教這樣的課,因為學生是下一代的科學家。因為這些原因,我覺得我需要去訓練自己使用新的工具。在我的領域裡,也有一些有趣的、還沒被解答的科學問題,是 AI 有可能幫得上忙的,我看到了一些潛力。

  • 弦論和 AI 感覺差距很大,AI 也可以應用到弦論的研究嗎?

乍看之下,弦論的確比較抽象,也不像其他許多實驗會產生大量數據。但其實弦論有大量的可能性,我認為使用 AI 來在這些巨量的可能性當中搜尋特別有趣的理論,是一個有潛力能夠加深我們對弦論理解的新的研究方法。

而且 AI 的應用絕不僅限於巨量資料。如果是面對一些比較新的挑戰,在沒有現成的演算法可以用的情形之下,可以自己做出需要的功能嗎?這過程我覺得也非常很有趣,而且應該是會有成果的一條路。這種不是那麼顯而易見的事情,我覺得很有挑戰性,也蠻好玩的。

除了用 AI 來幫助物理跟數學的研究之外,我也試著物理研究當做靈感來源,找出新的 AI 的可能性,我覺得這也是一個很有趣的研究方向。我現在有和 AI 的學者合作,嘗試做出一些創新的演算法,真的還蠻有趣的。

  • AI 對您而言是全新的領域,您如何面對跨領域遇到的門檻?

一開始會覺得真的要去碰這個新的領域嗎?其實現在也還是偶爾會有這樣的懷疑。我在弦論領域可能已經是專家,但去了一個新的領域,我學得不會比二十歲的人快,要怎麼去跟人家競爭?是不是在浪費時間?

但也會想,與其想這麼多,不如先做再說。到目前為止我做了兩年多,感覺還蠻好的,我有學到東西,也有做出小小的貢獻。

其實我還蠻感激有這樣的學習機會。對我來說當科學家最大的好處就是,去搞懂一個新的東西就是工作的一部分。當科學家雖然蠻辛苦,但就結果論來說,我還蠻開心能當一位科學家!

延伸閱讀

  1. Moonshine Master Toys With String Theory | Quanta Magazine
  2. Mathematicians Chase Moonshine’s Shadow | Quanta Magazine
  3. 林正洪教授演講 一 怪物與月光(Monster and Moonshine),《數學傳播》

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