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什麼是「近場光學顯微術」?為何它是開啟奈米世界大門的關鍵?

科技大觀園_96
・2021/12/01 ・2708字 ・閱讀時間約 5 分鐘

近場光學顯微術可突破繞射極限,使我們看到奈米等級的光學影像。圖/孔瀞慧繪

傳統光學顯微技術發展幾個世紀之後,從 20 世紀後半⾄今,突破光學繞射極限成為顯微技術的重要課題。繞射極限是光波所能聚焦的最⼩尺寸(約為光波長的⼀半,以可⾒光來說約 200-350 nm),仍遠⼤於分⼦和奈米材料。顯微鏡的發明是進入微觀世界的⾥程碑,⽽突破光學繞射極限後就能開啟進入奈米世界的可能性。 

突破光學繞射極限的超⾼解析度顯微技術⼤致上可以分為遠場(far field)與近場(near field)兩⼤類,這兩者的差別在於是否利⽤探針在靠近樣品距離遠⼩於⼀個波長(約數⼗奈米)處進⾏量測,若有則為近場,其餘則屬於遠場。⽽遠場顯微技術若要達到奈米級別的超⾼解析度, 需要以特殊螢光標定加上大量電腦計算來輔助。 

中央研究院應⽤科學研究中⼼研究員陳祺,專攻近場光學顯微術,屬於探針掃描顯微術(Scanning probe microscopy, SPM)中與光學相結合的分⽀。 

探針掃描顯微術,家族成員眾多 

探針掃描顯微術泛指使⽤探針來掃描樣品的顯微技術,依照原理的差別再細分成多個類別。在整個探針掃描顯微術家族中,最早的成員為 1981 年問世的掃描穿隧顯微鏡(Scanning tunneling microscope, STM),其主要機制是偵測探針與待測物表⾯間的量⼦穿隧電流(註1),作為回饋訊號來控制針尖與待測物的距離,⽽得到待測物表⾯次原⼦級別的高低起伏。1986 年發明的原⼦⼒顯微鏡(Atomic force microscope, AFM)則是⽬前最廣為應⽤的探針顯微技術,其以針尖接觸(contact)或輕敲(tapping)物體,藉由偵測針尖和物體表⾯間之凡得瓦⼒,得知物體表⾯的高低起伏。 

探針掃描顯微術(SPM)家族。僅示意,並未包含所有的成員。圖/劉馨香製圖,資料來源:陳祺

在探針掃描顯微術中,控制針尖與物體的相對距離是重要的課題,STM 可控制距離在一奈米以下,AFM 則可在一奈米到數十奈米間變化。此外,要在奈米世界「移動」並不是⼀件簡單的事。因為⼀般以機械⽅式的「移動」,其尺度都會在微米級別以上,這就像是我們沒有辦法要求⼤象邁出螞蟻的⼀⼩步⼀樣。所幸 1880 年居禮兄弟發現壓電材料會因為外加電場,⽽導致晶格長度的伸長或者收縮,即可造成奈米級別的「移動」。⽬前所有的探針顯微術都是以壓電效應達成對針尖或樣品「移動」的控制。 

近場光學顯微術,探針加上光 

依 STM/AFM 控制針尖的技術基礎,外加光源於針尖上,即為近場光學顯微術(Scanning near-field optical microscopy, SNOM),依照光源形式的不同可區分為兩⼤類: 

1. 微孔式近場光學顯微術(aperture SNOM,簡稱 a-SNOM) 
2. 散射式近場光學顯微術(scattering SNOM,簡稱 s-SNOM)

a-SNOM 是利用透明的 AFM 針尖,先鍍上⼀層⾦屬薄膜,並打上⼩洞,讓光從⼤約 50-100nm 左右的⼩洞穿出,得到⼩於光學繞射極限的光訊號。s-SNOM 則是外加雷射光源聚焦於針尖上,並量測散射後的光訊號。其中,針尖增強拉曼散射光譜顯微鏡(Tip-enhanced Raman spectroscopy, TERS)是屬於 s-SNOM 的⼀種特殊近場光學模式,主要為量測拉曼散射光譜,即可識別分⼦鍵結的種類。由於拉曼訊號相對微弱,透過探針鍍上⾦屬薄膜,即可利⽤針尖端局域電場的放⼤效果,來增強待測物的拉曼訊號,並利用針尖的移動來得到奈米級空間解析度的拉曼成像。 

(左)a-SNOM 所使用的探針,針尖上有微孔。(中)a-SNOM 原理:綠色箭頭表示光從上方經微孔射入樣品,紅色箭頭表示偵測器接收光訊號。(右)s-SNOM 原理:綠色箭頭表示光聚焦於針尖,紅色箭頭表示偵測器接收光訊號。光源與偵測器的位置可互換。圖/陳祺提供

陳祺的研究歷程與觀點

在陳祺就讀博士期間,其研究領域主要為結合低溫超高真空 STM 的單分子光學量測,需要極度精進探針掃描顯微鏡的穩定與解析度。畢業之後將⽬標轉向室溫室壓下的探針掃描顯微術與光學的結合,用以量測更多種類和不導電樣品。

陳祺在博⼠後期間的⼯作以 TERS 為主,曾發表解析度⾼達 2 奈米以下的成果,維基百科的 TERS 條⽬,也引⽤了陳祺當時發表在《Nature Communication》的論⽂。回國進入中研院之後,陳祺也開始 a-SNOM 的研究。

無論 TERS 或 a-SNOM,兩者的實驗設計都是建構在 AFM 上,因此陳祺會⾃⾏架設更精準的 AFM,以達成近場光學顯微術更佳的穩定性。 

近場光學實驗操作上的困難除了針尖的製作之外,穩定的 AFM 掃描其實也相當不容易,是維持針尖品質的關鍵。傳統上 a-SNOM 都是以接觸式(contact mode)的 AFM 方式掃描,以防止輕敲式(tapping mode)起伏會干擾光訊號,代價就是 AFM 的解析度極差。陳祺將⾃架的近場光學實驗放進⼿套箱裡,能讓針尖在輕敲式時維持極⼩的振幅(在⼀個奈米以下),可以大幅提高 AFM 的形貌解析度,也幾乎不損傷針尖。由於陳祺有非常豐富⾃架儀器的經驗,才能很⼤程度突破⼀般商⽤儀器的限制。 

不同的顯微影像比較。樣品為一種二維材料異質結構,左為結構示意圖,中為 AFM 影像,右為 a-SNOM 影像。AFM 能精確解析樣品的高低起伏,然而 a-SNOM 可解析樣品的光學特性。圖/陳祺提供

⼀般認為 TERS 有較佳的解析度,但由於 TERS 在散射訊號影像上有很大程度的不確定性,經常導致假訊號或假解析度的發生。近年來陳祺反⽽把研究的主軸轉向 a-SNOM,因為她更看重是否能由 AFM 得到的材料結構和高度,來解釋近場光學所量測的結果,以期研究材料背後的物理或化學現象。

另外,陳祺近期最重要的突破是在⽔中完成 a-SNOM 的量測,將針尖與光學元件整合在自製的腔體(cage system)之中,得以在保持生物樣品的活性之下得到超高解析度的影像,這將是開啟利用近場光學研究⽣物課題的重要⾥程碑。

最後,⾝為擁有兩個孩⼦的女性研究員,「如何兼顧⼯作與家庭」或許是⼀般新聞媒體會問的問題。然⽽,陳祺分享⾃⼰的⼼得:「是不可能兼顧的啦!先集中精神做好⼀件事,等另⼀件要爆掉的時候再去救它。」可能坦承⾃⼰沒有辦法做好每件事, 反⽽讓陳祺在實驗上永遠能找到促使⾃⼰改進的動⼒。 

註解

註 1:量⼦穿隧電流:在量⼦世界中,物質同時具有波動和粒⼦的特性。因具有波動的性質, 當電⼦撞擊⼀層很薄的障礙物時,有不為零的機率穿過去,並產⽣穿隧電流(tunneling current )。穿隧電流與障礙物厚度成指數函數遞減,因此可藉由量測穿隧電流強度計算出待測物表⾯極微⼩的⾼低起伏。

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為妥善保存多年來此類科普活動產出的成果,並使一般大眾能透過網際網路分享科普資源,科技部於2007年完成「科技大觀園」科普網站的建置,並於2008年1月正式上線營運。 「科技大觀園」網站為一數位整合平台,累積了大量的科普影音、科技新知、科普文章、科普演講及各類科普活動訊息,期使科學能扎根於每個人的生活與文化中。

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用這劑補好新冠預防保護力!防疫新解方:長效型單株抗體適用於「免疫低下族群預防」及「高風險族群輕症治療」
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2023/01/19 ・2874字 ・閱讀時間約 5 分鐘

國民法官生存指南:用足夠的智識面對法庭裡的一切。

本文由 台灣感染症醫學會 合作,泛科學企劃執行。

  • 審稿醫生/ 台灣感染症醫學會理事長 王復德

「好想飛出國~」這句話在長達近 3 年的「鎖國」後終於實現,然而隨著各國陸續解封、確診消息頻傳,讓民眾再度興起可能染疫的恐慌,特別是一群本身自體免疫力就比正常人差的病友。

全球約有 2% 的免疫功能低下病友,包括血癌、接受化放療、器官移植、接受免疫抑制劑治療、HIV 及先天性免疫不全的患者…等,由於自身免疫問題,即便施打新冠疫苗,所產生的抗體和保護力仍比一般人低。即使施打疫苗,這群病人一旦確診,因免疫力低難清除病毒,重症與死亡風險較高,加護病房 (ICU) 使用率是 1.5 倍,死亡率則是 2 倍。

進一步來看,部分免疫低下病患因服用免疫抑制劑,使得免疫功能與疫苗保護力下降,這些藥物包括高劑量類固醇、特定免疫抑制之生物製劑,或器官移植後預防免疫排斥的藥物。國外臨床研究顯示,部分病友打完疫苗後的抗體生成情況遠低於常人,以器官移植病患來說,僅有31%能產生抗體反應。

疫苗保護力較一般人低,靠「被動免疫」補充抗新冠保護力

為什麼免疫低下族群打疫苗無法產生足夠的抗體?主因為疫苗抗體產生的機轉,是仰賴身體正常免疫功能、自行激化主動產生抗體,這即為「主動免疫」,一般民眾接種新冠疫苗即屬於此。相比之下,免疫低下病患因自身免疫功能不足,難以經由疫苗主動激化免疫功能來保護自身,因此可採「被動免疫」方式,藉由外界輔助直接投以免疫低下病患抗體,給予保護力。

外力介入能達到「被動免疫」的有長效型單株抗體,可改善免疫低下病患因原有治療而無法接種疫苗,或接種疫苗後保護力較差的困境,有效降低確診後的重症風險,保護力可持續長達 6 個月。另須注意,單株抗體不可取代疫苗接種,完成單株抗體注射後仍需維持其他防疫措施。

長效型單株抗體緊急授權予免疫低下患者使用 有望降低感染與重症風險

2022年歐盟、英、法、澳等多國緊急使用授權用於 COVID-19 免疫低下族群暴露前預防,台灣也在去年 9 月通過緊急授權,免疫低下患者專用的單株抗體,在接種疫苗以外多一層保護,能降低感染、重症與死亡風險。

從臨床數據來看,長效型單株抗體對免疫功能嚴重不足的族群,接種後六個月內可降低 83% 感染風險,效力與安全性已通過臨床試驗證實,證據也顯示針對台灣主流病毒株 BA.5 及 BA.2.75 具保護力。

六大類人可公費施打 醫界呼籲民眾積極防禦

台灣提供對 COVID-19 疫苗接種反應不佳之免疫功能低下者以降低其染疫風險,根據 2022 年 11 月疾管署公布的最新領用方案,符合施打的條件包含:

一、成人或 ≥ 12 歲且體重 ≥ 40 公斤,且;
二、六個月內無感染 SARS-CoV-2,且;
三、一周內與 SARS-CoV-2 感染者無已知的接觸史,且;
四、且符合下列條件任一者:

(一)曾在一年內接受實體器官或血液幹細胞移植
(二)接受實體器官或血液幹細胞移植後任何時間有急性排斥現象
(三)曾在一年內接受 CAR-T 治療或 B 細胞清除治療 (B cell depletion therapy)
(四)具有效重大傷病卡之嚴重先天性免疫不全病患
(五)具有效重大傷病卡之血液腫瘤病患(淋巴肉瘤、何杰金氏、淋巴及組織其他惡性瘤、白血病)
(六)感染HIV且最近一次 CD4 < 200 cells/mm3 者 。

符合上述條件之病友,可主動諮詢醫師。多數病友施打後沒有特別的不適感,少數病友會有些微噁心或疲倦感,為即時處理發生率極低的過敏性休克或輸注反應,需於輸注時持續監測並於輸注後於醫療單位觀察至少 1 小時。

目前藥品存放醫療院所部分如下,完整名單請見公費COVID-19複合式單株抗體領用方案

  • 北部

台大醫院(含台大癌症醫院)、台北榮總、三軍總醫院、振興醫院、馬偕醫院、萬芳醫院、雙和醫院、和信治癌醫院、亞東醫院、台北慈濟醫院、耕莘醫院、陽明交通大學附設醫院、林口長庚醫院、新竹馬偕醫院

  • 中部

         大千醫院、中國醫藥大學附設醫院、台中榮總、彰化基督教醫療財團法人彰化基督教醫院

  • 南部/東部

台大雲林醫院、成功大學附設醫院、奇美醫院、高雄長庚醫院、高雄榮總、義大醫院、高雄醫學大學附設醫院、花蓮慈濟

除了預防 也可用於治療確診者

長效型單株抗體不但可以增加免疫低下者的保護力,還可以用來治療「具重症風險因子且不需用氧」的輕症病患。根據臨床數據顯示,只要在出現症狀後的 5 天內投藥,可有效降低近七成 (67%) 的住院或死亡風險;如果是3天內投藥,則可大幅減少到近九成 (88%) 的住院或死亡風險,所以把握黃金時間盡早治療是關鍵。

  • 新冠治療藥物比較表:
藥名Evusheld
長效型單株抗體
Molnupiravir
莫納皮拉韋
Paxlovid
倍拉維
Remdesivir
瑞德西韋
作用原理結合至病毒的棘蛋白受體結合區域,抑制病毒進入人體細胞干擾病毒的基因序列,導致複製錯亂突變蛋白酵素抑制劑,阻斷病毒繁殖抑制病毒複製所需之酵素的活性,從而抑制病毒增生
治療方式單次肌肉注射(施打後留觀1小時)口服5天口服5天靜脈注射3天
適用對象發病5天內、具有重症風險因子、未使用氧氣之成人與兒童(12歲以上且體重至少40公斤)的輕症病患。發病5天內、具有重症風險因子、未使用氧氣之成人與兒童(12歲以上且體重至少40公斤)的輕症病患。發病5天內、具有重症風險因子、未使用氧氣之成人(18歲以上)的輕症病患。發病7天內、具有重症風險因子、未使用氧氣之成人與孩童(年齡大於28天且體重3公斤以上)的輕症病患。
*Remdesivir用於重症之適用條件和使用天數有所不同
注意事項病毒變異株藥物交互作用孕婦哺乳禁用輸注反應

免疫低下病友需有更多重的防疫保護,除了戴口罩、保持社交距離、勤洗手、減少到公共場所等非藥物性防護措施外,按時接種COVID-19疫苗,仍是最具效益之傳染病預防介入措施。若有符合施打長效型單株抗體資格的病患,應主動諮詢醫師,經醫師評估用藥效益與施打必要性。

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蝴蝶翅膀的夢幻色澤,藏著奈米科技
李鍾旻_96
・2021/07/27 ・2930字 ・閱讀時間約 6 分鐘

在昆蟲中,色彩鮮豔又顯眼的物種往往使人著迷,尤其蝴蝶向來是相當受人喜愛的一群昆蟲。一般人見到蝴蝶時,目光肯定會集中在牠們那五彩繽紛的翅膀。

蝴蝶的翅膀表面布滿著無數的鱗片,每一個鱗片的長度大約介於 50 ~ 200 微米之間(1 微米 = 0.001 公釐)。不同種類的蝴蝶,鱗片的形態也會有所差異,但共通點都是非常容易脫落。

包含蝴蝶的鱗片在內,昆蟲身上呈現出來的許多色彩,是由天然色素所構成,這稱作「色素色」(化學色)。但也有部分顏色屬於「構造色」(或稱物理色、結構色),與體表結構的物理性質有關。

結構賦予的幻紫湛藍

構造色通常由週期性排列的微觀結構,如小突起、溝紋等所造就,這些結構使光線產生反射、干涉、繞射等光學效應,而讓特定波長的光被保留了下來。

構造色並常伴隨著「炫彩」特性,也就是色彩光澤會隨著人眼觀看角度的不同而出現些微變化,讓一隻昆蟲顯得璀璨閃耀。有些蝴蝶在展翅時,會呈現出類似金屬、珍珠般的光亮質感,這類特徵往往便是源自構造色。(註:炫彩(iridescent),也常被譯作「虹彩」、「虹光」)

中南美洲叢林中的「閃蝶」Morpho,又稱摩爾福蝶)是構造色相當有名的例子。閃蝶的藍色翅膀鮮豔奪目,質感宛如珠寶,因此身價不凡,是眾多標本收藏家愛不釋手的珍品。

英國自然史博物館收藏的黑框藍閃蝶(Morpho helenor peleides)標本。圖/作者提供

閃蝶翅膀呈現金屬藍色,然而翅表面的鱗片並沒有藍色色素,這樣的炫目的色澤歸功於鱗片上奈米尺度的多層次塔狀結構。當陽光映照在鱗片時,部分光線可能會直接被反射,有些光線則穿過部分結構,接著被底下層次的結構反射,而許多被反射的光線,彼此還可能發生交互作用。最終,鱗片的這些微結構反射了大部分藍色光芒,使得翅表面呈現明亮耀眼的金屬質感。

File:Morpho sulkowskyi wings.jpg
閃蝶鱗片上的細微塔狀結構,其表面又有層層的溝紋與脊起,這是讓光線產生變化的主要因素。圖/Wikipedia

鱗片已經非常的小,當然鱗片上的結構是我們人類肉眼所看不到的,所以科學家在探究這些構造時,必須透過電子顯微鏡才得以一窺究竟。

拿現實生活中的物品來比喻,可以說閃蝶體表閃耀的色澤,性質有些類似 CD 光碟片的表面。光碟片在光線下會顯現七彩的光澤,而這些光澤是光碟表面細小微妙的溝槽造成的繞射效果。

不同角度下的大藍閃蝶(Morpho didius)標本,可見其金屬光澤會隨光照的來源有所變化。圖/作者提供

在台灣的我們,除了博物館裡才有機會目睹的閃蝶,有沒有什麼活生生的例子可以讓我們一窺構造色呢?常見的「紫斑蝶」Euploea),就是很好的觀察對象。牠們不只是數量多,同時又是蝴蝶中動作較為緩慢的種類,因此要近距離接觸牠們並不難。

紫斑蝶前翅背面雖然呈黯淡的褐色,但當牠們展翅時,這些鱗片在陽光下會散發出藍色至藍紫色的絢麗色彩,並且顏色深淺隨著角度的變化非常明顯。這同樣是由於光線照射在鱗片表面的物理結構,反射了特定波長光線的緣故。

圓翅紫斑蝶(Euploea eunice hobsoni)一身深褐色的鱗片平時看似不起眼,但翅背面在陽光下會轉變為鮮豔的藍紫色。圖/作者提供

其實不只是成蟲,構造色也可見於紫斑蝶的蛹。紫斑蝶的蛹呈亮麗金黃色或銀色,炫彩極為明顯,這是由於表皮底下層層排列的薄膜狀結構,對光線產生了影響。

當然,構造色的形式還存在許多昆蟲身上,常見的幻蛺蝶Hypolimnas bolina kezia)、蘭嶼的珠光裳鳳蝶Troides magellanus)都是構造色相當鮮明的例子。一些金屬質感的吉丁蟲、金龜子、灰蝶,其華麗的外觀往往也與構造色脫不了關係。

圓翅紫斑蝶的翅在某些角度下光澤不明顯。圖/作者提供

這一身醒目的光澤,對昆蟲而言可能帶有警告的意味,因為許多鮮豔明亮的昆蟲有毒,或嚐起來具有特殊臭味。日光下閃爍的炫彩也可能具有隱蔽的效果,或者與同種個體間的辨識溝通有關。

圓翅紫斑蝶的蛹,外觀質感如同金屬。圖/作者提供

似白非白的鱗片

我們可能常常直覺的把構造色與光亮的炫彩畫上等號,事實上在大自然裡,生物的構造色不見得都是如此。

我們在平地或山區都有機會見到,分布範圍相當廣的白粉蝶Pieris rapae),身上其實也具有大片的構造色,但我們在牠身上看不到光輝的炫彩現象。

白粉蝶的翅膀,有局部的鱗片具有黑色色素而形成深色斑塊,其他區域則主要呈白色,或略帶有一點淡黃。以往,白粉蝶身上單純的色彩多被認為是色素色,可是那些佔大多數的白色鱗片,實際上並不含白色的色素

白粉蝶的翅膀上有著非炫彩性的構造色。圖/作者提供

在白粉蝶的鱗片表面,具有許多枝狀的構造,其表面又附著了許多如珠子般的微小顆粒,顆粒本身也沒有色素成分。其實是這些顆粒反射了特定光線,導致翅膀呈白色的構造色。

不管是構造色的成因,以及所造就的色彩樣貌,當中複雜且多樣的機制,往往遠超出人類所想像。許多的昆蟲的表皮,構造色與色素色這兩類色源,並時常同時存在,兩者交織構成體表展現的色彩

用「光」代替顏料上色

物理結構形成的色彩,理論上能夠長期存在,能夠避免褪色的問題,人類也從中得到了不少科技靈感,試圖在工業產品上重現這般的顏色。

日本的纖維公司便參考了閃蝶翅膀的原理,研發出不使用化學染料,而是運用物理特性顯現色彩,名為「藍默纖維」(Morphotex)的環保材質。這樣的材質有什麼優點呢?構造色呈色的纖維不需要經過傳統的化學染色製程,能減少產生的廢料,亦減低了水資源與能源的消耗。

陽光下的異紋紫斑蝶(Euploea mulciber barsine),藍紫色光澤明顯。圖/作者提供

如果掌握了不會褪色的顏色技術,還有機會應用在太陽能板塗料、印刷、化妝品、鈔票防偽等方面,幫助解決許多技術問題。

昆蟲及各式動物與生俱來的外貌,有時比人類費力研發出的技術都要精巧得多,甚至可能悄悄改變人類的生活。人類應該善待並維護自然資源,這顯然是很重要的一項理由。

參考資料

  1. What Gives the Morpho Butterfly Its Magnificent Blue?
  2. Vukusic, P., Sambles, J. R., Lawrence, C. R., and Wootton, R. J. (1999). Quantified interference and diffraction in single Morpho butterfly scales. Proceedings: Biological Sciences, The Royal Society of London 266, 1403–1411.
  3. Ragaei, M., H.S. Al-Kazafy, N.A.E. Farag, H.H. Elbehery, and A. Abd-El Rahman. (2017). Role of photonic crystals in cabbage white butterfly, Pieris rapae and queen butterfly, Danaus glippus coloration. Biosci. Res. 14: 542-547.
  4. 王仁敏(2017)。蝶翼的絢麗幻色。蝶季刊 2017 卷 2 期:19 – 19。

李鍾旻_96
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目前大部分時間都在觀察、寫作和拍照,曾獲金鼎獎兒童及少年圖書獎、世界華人科普新秀獎、人與自然科普寫作桂冠獎等。著作:《台灣常見室內節肢動物圖鑑》(2021)、《自然老師沒教的事6:都市昆蟲記》(2015)。

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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
linjunJR_96
・2020/12/08 ・1462字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 530 ・七年級

國民法官生存指南:用足夠的智識面對法庭裡的一切。

生物體中的蛋白質分子通常長得非常複雜,不是幾行化學式能解決的。如果想把它的分子結構鉅細靡遺的描繪出來,你有幾種選擇。

讓人類發現 DNA 雙股螺旋的 X 光晶體學

其中一個是 X 光晶體學,也就是讓許多蛋白質分子一同排列成整齊的晶體,接著將 X 光打進去,用繞射圖案進行分析。從 1950 年代以來,科學家便常常使用這種技術來探索分子結構。DNA 的雙股螺旋結構便是透過 X 光晶體學被發現。

圖 1/著名的 51 號照片 (Photograph 51)。葛斯林 (Raymond Gosling) 和富蘭克林 (Rosalind Franklin) 拍到了DNA晶體所繞射出的X型圖樣,帶領了華生與克里克等人提出了雙股螺旋的模型。圖/Raymond Gosling, King’s College London

不過這種方法有其根本上的限制。X 光晶體繞射後的強度很弱,必須藉由晶體內多個重複且整齊的晶格,進行同步繞射來增強訊號,因此沒辦法處理太大的蛋白質分子(單位體積內重複晶格太少),或是結構複雜的蛋白質(像是核糖體是由兩個次單元組成的),而且因為 X 光晶體學仰賴的是晶體結構的繞射,那些無法好好結晶的蛋白質,便不在它的防守範圍內,而細胞中許多的蛋白質都很難形成整齊的晶體。

另外,就算可以成功的結晶,被結晶的蛋白質分子也無法呈現出平常運作時的多種風貌,產生的影像也無法捕捉關於分子的任何動態資訊。

不斷跨越解析度門檻的低溫電子顯微技術

於是我們有另一個選項:低溫電子顯微技術 (cryo–electron microscopy) 。待觀察的分子被凍結在超低溫環境中,而研究人員用電子束轟炸分子,透過電子留下的影像來還原分子的立體結構。這種技術不需要蛋白質進行結晶,不過解析度普遍較差,最後的影像往往只能看出幾個模糊的團塊,因此通常只會用在大的蛋白質分子。

近年來,低溫電子顯微的解析度有明顯的進步。左方為 2013 前的解析度,右方為 2013 年後。 圖/Martin Högbom, The Royal Swedish Academy of Sciences

隨著相關領域人員的持續努力,低溫電子顯微的解析度已經大有進展。2017 年的諾貝爾化學獎便是頒給三位科學家在高解析度低溫電子顯微技術方面的突破。前一陣子的紀錄保持者是日本團隊對缺鐵基蛋白 (apoferritin) 的研究,解析度到達 1.53 埃。不過如果想要清楚的呈現個別原子,解析度差不多需要到達 1.5 埃,還差了一些。

在今年十月 Nature 期刊的一篇最新研究中,一個跨國研究團隊利用改良過的電子束與分析軟體,成功達到了 1.25 埃以上的解析率,足以清楚標示出每顆原子的位置。

聽起來很厲害,不過這代表的是什麼?

低溫電子顯微技術的突破,有助於人類了解複雜蛋白質是如何運作的。圖/giphy

由於生物分子可以在行動中被降溫並「定格」,我們現在能夠清楚的看見蛋白質這類複雜的分子機械如何運作,清楚到每顆原子的動態都盡收眼底。毫無疑問地,這樣的技術將為分子與結構生物學帶來重要的進展。

目前,原子等級的解析度只適用於結構較堅硬的蛋白質分子。做為下一階段的目標,研究團隊希望能將同樣的技術運用在一般柔軟的大型蛋白質結構,並達到一樣好的解析度。在結構生物學的領域中,使用低溫電子顯微鏡的研究人口逐年成長,而這次的技術突破有望繼續加速這個趨勢。

參考資料

  1. Yip, K.M., Fischer, N., Paknia, E. et al. Atomic-resolution protein structure determination by cryo-EM. Nature 587, 157–161 (2020).
  2. Cryo–electron microscopy breaks the atomic resolution barrier at last
  3. X-光晶體繞射學與結構生物學
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linjunJR_96
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清大理工男。不喜歡算數學。喜歡電影、龐克、和翻譯小說。不知道該把科普當興趣還是專長,但總之先做再說。