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【2018 諾貝爾化學獎】化學的革命性進化:酵素定向演化

諾貝爾化學獎譯文_96
・2022/01/08 ・5782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。

化學的革命性進化

演化的力量是透過生命來顯示的。2018 年的化學諾貝爾桂冠頒給阿諾(Fances H. Arnold)、史密斯(George P. Smith)和溫特(Gregory P. Winter),表彰她/他們透過演化的控制為人類謀取了最大的福祉。運用人工定向演化(directed evolution)所製造的酵素,現在已被用來生產包括生質燃料和藥物等等的物質。抗體的演化可以透過一種噬菌體顯示(phage display)的方法來對抗自體免疫的疾病,以及在某些特定的例子中治癒轉移性癌症。

我們活在一個由強大的力量:演化,所主導的星球。在頭一批生命的種子於 37 億年前出現時,幾乎地球上的每一個裂縫都充滿了能適應身處環境的生物體:生長在光禿禿山脈的地衣、於溫泉茂盛生長的古菌、能存活於乾燥沙漠的多鱗爬蟲類以及能在黑暗深海中發光的水母。

學校裡我們在生物課學習到這些生物,但讓我們戴上一副化學家的眼鏡,並換個視角來觀察,地球上的生物之所以能夠存在,是因為演化解決了無數複雜的化學難題,所有的生物都有能力從其環境的利基取得材料和能量,並用來建立它們的組成所特有之化學創造品。魚能在極地海洋中悠遊,是歸因於其血液中的抗凍蛋白質,貽貝能攀附在岩石上,乃因它們發展出了能在水中運作的分子黏膠,而這只是眾多例子中的幾個而已。

生命化學精彩的地方在於它被設計在基因的程式碼中,並讓它能被遺傳且不斷進化。一個小小的基因隨機變化,就能改變其化學,有時這導致產生較弱的生物體,但也有可能產生一個很強壯的個體。新的化學慢慢的發展,而地球上的生命隨之變得愈來愈複雜。

這個過程現在已經演化出了三個非常複雜的人類個體,具有能掌控演化的能力,2018 年的諾貝爾化學獎之所以頒給這三位科學家,乃因為她/他們透過定向演化革新了化學以及新藥物的發展。讓我們先從酵素工程的明星:阿諾(Fances H. Arnold)開始介紹。

2018 的諾貝爾化學獎得主們能控制演化,並進一步的在她/他們的實驗室中向前開拓。圖/諾貝爾化學獎專題系列

酵素──生命的化學工具中之利器

即便在 1979 年,身為一位剛取得機械與航太工程學位的新鮮人,阿諾就已經具有了一個憧憬:透過新科技的發展以謀求人類的福祉。美國已經決定在 2000 年要有 20% 的能量是來自於再生能源,而她剛好是在研究太陽能,不過這個產業的未來前景,於 1981 年的總統大選後,產生了巨大的改變,因此她將眼光改為投注於新興的 DNA(去氧核糖核酸)科技,她自述「很明顯的,對於我們每日生活上所需要的材料和化學品,可以利用改寫生命密碼的能力,來創造新的製造方法。」

用傳統方式製造藥物、塑膠和其它化學品需要強力的溶劑、重金屬和腐蝕性的酸,她的想法是捨棄這些方法而改用生命的化學工具:酵素,它們催化在地球生物體中發生的化學反應,如果她能掌握設計新酵素的方法,就可從根本改造化學。

人的思考是有限的

最初就如同在 1980 年代末期的許多其他學者一般,阿諾企圖使用推理的策略來重塑酵素,讓它們具有新的性質。然而酵素是極端複雜的分子,它們是由 20 種不同的結構單元──胺基酸──以幾乎無限種可能的組合方式結合而成的,一個單一的酵素分子可以包含數千個胺基酸,它們連結成長鏈的型態,進一步摺疊成三維的立體結構,用來催化特定化學反應的局部結構,是建立在整體結構的內部。

運用邏輯推導來決定如何將這一個精密的構造重新調整,以賦予其新的功能,即便是運用現在的知識以及電腦能力來看,亦是非常困難的。在 1990 年代初期,謙卑的折服在大自然的優越能力之下,阿諾決定放棄上述她所謂「有些傲慢」的策略,取而代之,她獲取的靈感來自於使用大自然優化化學的方法:演化。

阿諾開始操弄演化

有好些年,她試圖改變一個稱為「枯草桿菌蛋白酶」的酵素,讓它不是在水溶液中催化化學反應,而能在一個有機溶劑:二甲基甲醯胺(簡稱 DMF)中運作。此時她刻意在酵素的基因密碼中製造隨機的變化──突變──然後將這些突變的基因引入細菌中,並產出數千種不同變體的枯草桿菌蛋白酶。

在這之後的挑戰是如何從如此眾多的變體中,找出在該有機溶劑中運作效率最高的那些酵素。在演化學中,我們說的是適者生存;在定向演化學中,這個階段稱為「選汰」。

阿諾利用枯草桿菌蛋白酶能切割一種牛奶蛋白質──酪蛋白──的能力,在一個 35% DMF 水溶液中,先選汰出切割酪蛋白最有效率的枯草桿菌蛋白酶變體,接著在這個變體中進行下一輪的隨機突變,得到另一個在 DMF 中運作效率更高的變體。

於第三代的枯草桿菌蛋白酶中,她找到了一個變體,其在 DMF 中的運作效率比原始的酵素要高 256 倍。這個酵素的變體總共含有十個不同位置的突變,最終造成的優異效果是沒有人能夠事先預測的。

透過這些實驗,阿諾展示了若要掌控新酵素的研發,僅憑藉人的推理能力,將遠遜於讓機率以及定向(人為)選汰來運作的力量。這是我們現在所見證的革命性發展之第一步,也是最具決定性的一步。

接下來的另一重要步伐,是由一位荷蘭研究人員及發明家史坦姆(Willem P. C. Stemmer)所邁出的,但他已於 2013 年過世。他引進了另一個酵素定向選汰的維度:試管中的交配。

定向選汰背後的運作原理:在數個定向選汰的輪迴之後,一個酵素可能增加數千倍的效率。圖/諾貝爾化學獎專題系列

交配──為了更穩定的演化

一個自然演化的先決條件是不同個體的基因可透過交配或授粉的方式混合,有用的性質可藉此結合,而得到更強壯的生物體,在此同時,較不具功能的基因突變,將於代代相傳的過程中消失。

史坦姆運用的是交配的試管對等法:DNA 改組(DNA shuffling)。在 1994 年,他將基因的不同版本切割成小片段,然後透過 DNA 科技的工具,將這些片段重新組合成一個完整的基因,就好像是原始基因的一個馬賽克版本。

透過好幾輪的 DNA 改組,史坦姆將一個酵素改變成比原始版本更有效率。這顯示利用基因的交配──研究人員稱之為「重組」──可達成更有效率的酵素演化。

新酵素製出永續生質燃料

那些 DNA 科技的工具自 1990 年代初期開始不斷的優化,用於定向演化的方法亦倍數成長。阿諾在這些發展中一直具有領先的優勢;現在她的實驗室所產出的酵素能催化的化學反應,甚至於根本不存於大自然中,而能製造出全新的材料,她裁製出的一些酵素也成為製造不同物質(例如藥物)的重要工具。化學反應不但可被加速,且減少不要的副產物。在某些例子中,可以去除透過傳統方法須使用的重金屬,大幅減少對環境的衝擊。

事情的發展更回歸了原位,阿諾又重新回頭開始研究再生能源的製造。她的研究小組研發出一些酵素,能將簡單的糖轉化成異丁醇,那是一種高能量物質,可用於製造生質燃料和較永續的塑膠。一個長程目標是製造出的燃料能讓運輸業更為環境友善,另類燃料──用阿諾的蛋白質所製造的──能用在車輛或飛機上。以這樣的方式,她的酵素促成了一個更永續的世界。

至於 2018 年諾貝爾化學獎所表彰的另一份工作,則是將定向演化導向了製藥,所產出的藥物能中和毒素,或對抗自體免疫疾病的進展,甚至在某些病例中治癒轉移的癌症。這是由一個能感染細菌的小小病毒所扮演的重要角色,而這個方法被稱為「噬菌體顯示」(phage display)。

史密斯運用噬菌體

經常發生的情況是,科學走了一條無法預測的路徑。在 1980 年代的上半期,當史密斯開始使用噬菌體──能感染細菌的病毒──主要是期望它們能用在基因選殖。此時 DNA 科技仍未成熟,而人類基因體仍是一塊未開發的土地,研究人員知道製造身體所需蛋白質的所有基因都存於其中,但是想要指認某一個蛋白質的基因,就好像在大海中撈針一樣困難。

不論如何,對能找到那個基因的科學家而言,將具有極大的益處。運用當時最新的基因學工具,基因可以插入細菌中──靠著一點運氣──該細菌能製造出大量想要研究的蛋白質,這整個程序被稱為基因選殖。而史密斯的想法是,尋找基因的研究人員可以透過一個巧妙的方式,運用噬菌體來做到。

噬菌體:一個蛋白質與其未知基因的連結

噬菌體本質上具有很簡單的構造,它含有一小段的基因物質,封裝在一個由保護蛋白質形成的鞘膜中。當複製時,會將它們的基因物質注入細菌中,綁架細菌的代謝系統,接著利用細菌製造出噬菌體基因物質的拷貝,以及形成保護鞘膜需要的蛋白質,由此產生新的噬菌體。

史密斯的盤算是研究人員應可運用噬菌體的簡單構造,找出一個已知蛋白質的未知基因。在此時,已經有一些大型的分子庫存在,其內含有許多各種未知基因的片段,他的構想是這些未知基因的片段,可與形成噬菌體鞘膜的一個蛋白質基因融合,當新的噬菌體製造出來時,這個未知基因對應的蛋白質,就會出現在這個噬菌體的表面,與形成鞘膜的一個蛋白質結合在一起。

史密斯發展出噬菌體顯示法,用於尋找已知蛋白的基因。圖/諾貝爾化學獎專題系列

抗體可釣出正確的蛋白質

這個做法會導致生成一個噬菌體的混合物,各帶有許多不同的蛋白質於其表面。史密斯推論在下一個階段,研究者應能利用抗體,將帶有各種已知蛋白質的噬菌體,自這碗湯液中釣出。抗體是一些具有導向飛彈功能的蛋白質;它們能從數萬種蛋白質中,以高度的精準度,辨識並束縛住一個特定蛋白質。利用一個已知蛋白質的抗體,如果研究者能逮住一個自這碗湯液中釣出的東西,就可以順帶釣出這個蛋白質對應的未知基因。

這是一個漂亮的構想,而史密斯於 1985 年證實那是可行的,他製造出了一個噬菌體,其表面攜帶了一個蛋白質的部份胜肽,運用一個抗體,成功的將這一個他製造的噬菌體,由含有許多不同噬菌體的湯液中釣出。

透過這個實驗,史密斯建立了現在被稱為「噬菌體顯示法」的基石。此法的精彩處在於它的簡便,它的長處則是將噬菌體當成一個蛋白質與它的基因之連結。不過此法卻在基因複製的領域之外,取得其最主要的突破性進展;在另外一方面,於 1990 年左右,幾組研究人員開始運用噬菌體顯示法,來發展新的生物分子。其中一個採用此技術的人就是溫特(Gregory P. Winter)。感謝他的研究,使得噬菌體顯示法現在帶給人類更大的福祉,要瞭解其原因,我們需要對抗體進一步的認識。

抗體可遏阻疾病的進展

人類的淋巴系統能產生數十萬種不同抗體的細胞。在這一個發展完善的體系中,這些細胞通過檢驗,不會攻擊任何屬於身體之各種型態的分子,不過這龐大的種類能確保總是會有抗體,能附著在感染我們的病毒或細菌之上,一旦抗體附著在上面,就會傳送訊號給強悍的免疫細胞,趕來消滅入侵者。

因為抗體具有高度的選擇性,在數萬種分子中,只會附著在一個特定分子上,因此研究人員很早就希望設計抗體,能遏阻各種疾病在體內的進展,扮演藥物般的功能。最初為取得這些醫療用的抗體,是將各種藥物的標的物,例如癌細胞的蛋白質,注入老鼠體內。不過在 1980 年越來越清楚地知道此法是有侷限的;某些物質對老鼠是有毒的,但也有一些不會產生任何的抗體。更進一步發現這樣取得之抗體,會被病人的免疫系統視為異物,而被攻擊,導致這些老鼠抗體被破壞,為病人帶來副作用。

由於這個障礙,促使溫特開始研究史密斯的噬菌體顯示法可能具有的潛力。他想要避免使用老鼠,改成發展基於人類抗體的藥物,因為它們可以被我們的免疫系統所容忍。

溫特將抗體置於噬菌體的表面

抗體是具有 Y 字形的分子;靠著每隻手臂的遠端附著在外來物質之上。溫特將此部分的基因訊息,與噬菌體鞘膜的一個蛋白質基因融合,於 1990 年他成功的證實此法,讓抗體的結合部位出現在噬菌體的表面。他所用的抗體是設計來與一個稱為 phOx 的小分子結合,當溫特用 phOx 作為一種分子釣魚鈎,他成功的從一含有四百萬個其它噬菌體的湯液中,釣出那個含有抗體在其表面的噬菌體。

在這之後,溫特展示了他能將噬菌體顯示法運用於抗體的定向演化。他製造了一個噬菌體庫,其內包括數十億不同的抗體表現在噬菌體的表面,從這個庫藏中,他釣出了一些可與不同蛋白質標的結合的抗體,接著他隨機突變這第一代的抗體菌株,進而創造出一個新的噬菌體庫,從中找到與標的物具有更強結合力的抗體。例如在 1994 年,他用此法發展出了一些抗體,能以非常高的專一性與癌細胞結合。

運用噬菌體顯示法來進行抗體定向演化的原理。此法可用於製造新藥。圖/諾貝爾化學獎專題系列

世界上第一個基於人類抗體的藥物

基於抗體的噬菌體顯示法,溫特與他的研究同仁創立了一家公司,在 1990 年代發展出一個完全基於人類抗體的藥物: adalimumab,此抗體能中和一個稱為 TNF-alpha 的蛋白質,該蛋白質驅動許多自體免疫疾病的發炎反應。於 2002 年此藥物被核准醫治風濕性關節炎,現在亦用於治療不同型態的牛皮癬和發炎性腸疾。

藥物 adalimumab 的成功,刺激了製藥業的重要發展,而噬菌體顯示法已被用來製造包括癌症在內的各種疾病抗體。其中有一個抗體能讓體內的殺手細胞釋出,以攻擊腫瘤細胞,使腫瘤生長遲緩下來。在某些例子中,那些產生轉移的癌症病患甚至也能被治癒,成為癌症醫療的歷史性突破。另一個抗體藥物被核准用於中和造成炭疽病的細菌毒物,另一種藥物能減緩稱為狼瘡的自體免疫疾病;還有更多的抗體現在正在進行臨床實驗,用來對抗阿茲海默症等疾病。

一個化學新時代的開始

由 2018 年的諾貝爾化學獎得主們所開發的方法,現在正以跨國際的方式發展,來提升一個更為永續的化學產業,產出新的材料,製造永續的生質燃料,減輕疾病挽回生命。酵素的定向演化和抗體的噬菌體顯示法,讓阿諾、史密斯和溫特帶給人類最大的福祉,並為化學的革命性變化立下基石。

延伸閱讀

文章難易度
諾貝爾化學獎譯文_96
15 篇文章 ・ 21 位粉絲
「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

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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

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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以科學為本!從 DNA 探索大未來——百濟神州(BeiGene)Kids Science 生物科學營,為小小醫生科學家鋪路!
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2022/12/27 ・3668字 ・閱讀時間約 7 分鐘

本文由 百濟神州(BeiGene) 委託,泛科學企劃執行。

「小朋友們,當爸媽或家人生病時,你的心情如何?擔心、焦慮、想辦法讓他們好過一點?」

「希望家人最好不要生病」、「吃藥看醫生才能快快恢復」這是來自孩子們最純真直接的回應。

全球前 50 大生技製藥大廠百濟神州(BeiGene)副總裁暨細胞治療研發中心負責人黃士銘,日前率近 20 位企業志工和家人們一起至坪林國小,在泛科學協助下,舉辦「Kids Science 小小生物科學營」。課堂上,身為生物科學家的他,首次擔綱一日業師,在活動一開始即拋出了上述這個情境題,引導孩子們思考生物科學,其實是一門很有意義的學問,不僅貼近日常所需、更能真實地幫助許多人。

黃士銘表示:「BeiGene 是一家以科學為本,專注於創新癌症藥物研發,我們與全球各地科學家及醫師緊密合作,以病人至上的精神,致力為全世界患者帶來可近性及可負擔的高品質藥物。」身為一位科學家,我們相信『改變治癒未來』(Change is the Cure)。先進科學改變人類生活,而醫療科學為人類帶來治癒的力量。因此,在台灣,我們與這塊土地最頂尖的科學人才共同努力,專注於細胞治療在癌症醫學領域的研發,也因為台灣向來是生技產業人才搖籃,這更讓我們重視到,科學教育從小紮根的重要性,讓小朋友從早期開始培養科學核心素養,豐富孩子們的知識和視野,希望啟發他們對於生物科學的興趣。我們很期待透過 BeiGene 「Kids Science 小小生物科學營」,拋磚引玉,讓更多人重視科學教育的環境,挹注多元教學資源,發揮共好影響力,為台灣培育更多優秀的生技人才。

BeiGene 副總裁暨細胞治療研發中心負責人黃士銘,率近 20 位企業志工和家人們前進坪林國小,讓偏鄉小朋友從小開始培養科學核心素養。圖/BeiGene

有鑑於此,秉持以科學為本、病人至上的 BeiGene,致力「培育未來生物科學人才」作為品牌 ESG 關鍵的當責行動。於是乎,當觀察到台灣偏鄉科學教育資源與師資分配不均的狀況,便與全台最大科學知識社群–「泛科學」聯手,舉辦「 Kids Science 小小生物科學營」,BeiGene 企業志工於假日帶著家人們,前進新北市坪林國小進行教學活動,為偏鄉學童種下科學教育種子,希望藉由對生物科學的體驗與實驗過程,提升偏鄉學童對於環境觀察的敏感度與科學的認識基礎。

BeiGene 「Kids Science 小小生物科學營」,為學童打造出「適齡、適性」、結合理論與手作的生物科學探索課程活動。圖/BeiGene

生物科學樂趣多! 啟發學童對科學創造的想像

小學階段是最適合紮根科學教育的時期,但偏遠地區的學校由於交通不便與地理人文環境特殊,造成師資、設備、資源不足等情況。若能引進多元的教學資源,開啟偏鄉孩子們不一樣的視野,便能在科學的啟蒙之路上,燃起他們的學習熱情、啟發學童對科學創造的想像!

引導孩子們思考生物科學,其實是一門很有意義的學問,不僅貼近日常所需、更能真實地幫助許多人。圖/BeiGene

坪林國小校長王珮君表示:「科學是生活,舉凡食、衣、住、行都隱含著許多科學知識與原理,非常感謝 BeiGene,看見偏鄉孩子在專科教育學習資源的需求,舉辦『Kids Science 小小生物科學營』, 讓孩子從做中學習。藉由豐富有趣的課程,帶領學校的孩子不僅能從學習中獲得更多與醫學相關的科學知識,同時也能啟發他們擁有像『科學家』一樣地邏輯思考,像『醫師』一樣地解決問題!永保好奇心,持續不斷的創新與探索。」

坪林國小校長王珮君致力提供學生更好的學習資源,感謝 BeiGene 帶來豐富多彩的 STEM 教育課程。圖/BeiGene

親子共學玩實驗夯: 水果DNA切切樂、手作仿生鳥

身為全台最大科學知識社群——「泛科學」知識長鄭國威表示,孩子學習科學的目的,除了開拓視野外,更重要的是培養科學思辨的精神與態度!在這個以社群力=影響力的時代,泛科學希望與各界企業一起『加乘、共好』,透過彼此的核心職能,讓下一代對科學產生興趣。

孩子學習科學的目的,除了開拓視野外,更重要的是培養科學思辨的精神與態度。圖/BeiGene
利用簡單易操作的實驗一窺水果 DNA 的樣貌。圖/BeiGene

這次的課程,特別邀請到曾獲教育部殊榮的生物老師──簡志祥「阿簡老師」,帶領學童認識水果 DNA,利用簡單易操作的實驗一窺 DNA 的樣貌,了解生命細胞最初始的模樣;也體驗了解仿生科技在醫療上及生活上的應用,透過「仿生鳥手作實驗」引導學童思考有哪些生活用品是從仿生科學啟發而得來,並從手作實驗中獲得更多靈感與樂趣,最後的「仿生鳥飛行競賽」,讓學童用自己親手做的成品互相比拚,進一步體驗空氣動力原理,邊玩邊學、小朋友無一不感到新奇與有趣。

透過生活周邊常見產品實例,了解仿生科技在醫療上及生活上的應用。圖/BeiGene
透過「仿生鳥手作實驗」引導學童思考有哪些生活用品是從仿生科學啟發而得來。圖/BeiGene
「仿生鳥飛行競賽」,讓學童用自己親手做的成品互相比拚,進一步體驗空氣動力原理,邊玩邊學、小朋友無一不感到新奇與有趣。圖/BeiGene

本次課程活動獲得很好的迴響,孩子們邊玩邊學,不僅輕鬆提升專注力,同時對生物科學產生興趣。各位家長們,想要帶著孩子自己動手體驗 Kids Science 科學課程嗎? 以下分享 DIY 簡單步驟跟著做,親子共學樂趣多: 

【水果切切樂】

藉此實驗了解細胞各構造的特性,如清潔劑可溶解細胞膜的脂質,破壞細胞膜。 高濃度食鹽水可使 DNA 溶解在溶液中,DNA 不溶於酒精中,所以使用酒精萃取出 DNA。由於實驗材料簡單,且方法易操作,對生物科技有興趣的學習者也可以自行操作實驗不同水果的差異性。

教學影片。影/Youtube

材料:
萃取液(食鹽、水、清潔劑)冰棒棍、牙籤、離心管、塑膠杯、塑膠袋、紗布、竹籤、切塊水果、酒精

方法:
準備萃取液,內容是 1/3 杯的水、1/2 匙鹽和 1 匙的清潔劑混合。把切塊水果放進塑膠杯裡,倒進萃取液,能夠蓋住水果的量就夠了,用冰棒棍把水果攪爛。
把紗布鋪在另一個塑膠杯上,將攪爛的水果倒入紗布上,收集濾下的液體。
把酒精倒入液體中,過幾分鐘就會在上層的酒精裡看到白色的絲狀物。恭喜你,你拿到了這些水果的 DNA 了。拿牙籤輕輕攪拌這些 DNA,把它們收集到離心管裡頭吧。

原理:
為什麼這些材料就可以萃取出 DNA 呢?當你把水果攪爛和萃取液混合時,會破壞水果的細胞,清潔劑可以破壞水果細胞的細胞膜和核膜,而加入鹽則可以讓 DNA 溶解在萃取液內。最後加入的冰酒精,則會讓 DNA 從溶解的狀態被析出來,就成了你看到的白色絲狀物。

【手作仿生鳥】

結構仿生設計學主要研究生物體和自然界物質存在的內部結構原理在設計中的應用問題,適用與產品設計和建築設計。研究最多的是植物的莖、葉以及動物形體、肌肉、骨骼的結構。本課程從生活中引導小朋友去思考有哪些生活用品是從「仿生科學」啟發得來的。並從手作實驗中得到更多靈感與啟發!

仿生學小知識:

仿生學是模仿生物特殊本領的科學,目的在了解生物的結構和功能原理,來研發新的機械和技術,將大自然的智慧轉化成人類可操控的技術,可以說是「向大自然學習」的一門科學,例如達文西的「撲翼機手稿」就是藉由研究鳥類與昆蟲飛行所設計出來的。

像是出淤泥而不染的「蓮花葉」,除了表面上有蠟等物質可以防水,也發現葉面上有奈米等級的絨毛結構,這些結構使得水滴不易被戳破,讓水滴能在葉面上自由滾動,正是屬於仿生學的範疇,而這個發現也運用在現在的防水塗料上。此外,模仿蜘蛛絲做成的線非常強韌,可以拿來做防彈衣,這些都屬於仿生學的研究成果。

教學影片。影/Youtube

方法:
確認你的配件,包括翅膀、尾巴、木條、三條橡皮筋,將翅膀配件靠內的桿子套上右邊鐵鉤,靠外的桿子套上左邊鐵鉤,將木條插入翅膀的孔,另一端插入尾巴的孔,接著將橡皮筋套進兩端的掛勾,最後一步驟只要扭轉橡皮筋就可以飛行了。

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原來這裡也有數學?病毒的形狀、DNA 的結構都與數學有關!——《生物世界的數學遊戲》
天下文化_96
・2022/10/25 ・2015字 ・閱讀時間約 4 分鐘

二十面體與小兒麻痺病毒

菸草嵌紋病毒是螺旋柱狀體,還有一種常見的病毒形狀則是二十面體。有些科學家稱二十面體為「自然界偏好的形狀」,因為這種形狀在病毒上很是普遍,譬如天花病毒、小兒麻痺病毒、疱疹病毒,以及蕪菁黃嵌紋病毒(turnip yellow mosaic virus)。

一九八六年,荷格爾、周瑪麗及菲爾曼三人發現了小兒麻痺病毒的結構。這種病毒是由四種蛋白質單元(每一單元有六十個複本)所組成,排列出來的形狀帶有二十面體所具有的對稱性。要描述小兒麻痺病毒的結構,最簡單的方法是由一個十二面體和一個二十面體的合併來開始討論。組合成的立體看起來像一個每面都有微凹的五面體的十二面體(圖三二)。湯普生若知道這種結構,一定會很喜歡:這比放射蟲的主觀想像繪製圖還要使人信服。

足球的外型為截角二十面體。圖/維基百科

另外,這種結構是基於某種原因、某種病毒結晶學原理而存在的:正如晶格是由大量原子所形成的最小能量結構,近似球形的多面體則是由少量的相同單元所形成的最小能量結構。在規則的正立體當中,二十面體與球最為近似,但是你仍然可以利用五邊多面體和六邊多面體的混合體,來更逼近一個球。現在使用的足球就是一個例子:足球的外形基本上是二十面體,不過卻是截去了每一個角的二十面體。

在這樣一個多面體中,一定有剛好十二個面是五邊形;六邊形的面的數目,則取決於一系列特殊的代數形式,也就是所謂的「幻數」(magic number);大部分的數字都不是幻數。小於三百的幻數為 12、32、42、72、92、122、132、162 、192、212、252 及 272。這些數字在病毒的結構中扮演了特殊角色,正如費布納西數在植物結構中扮演的特殊角色。

(圖三二)小兒麻痺病毒的結構示意圖:把十二個五角錐(b 圖折疊後就是五角錐)黏在一個十二面體(a 圖是把十二個面攤開),做成一個三維的模型(如 c 圖)圖/
《生物世界的數學遊戲》。

事實上,能夠以大致規則的方式幾乎併成球面的同一蛋白質單元的數目,就是幻數。

下面這些證據,顯示病毒知道這種限制。蕪菁黃嵌紋病毒有三十二個單元,而人類多瘤性病毒、BK 病毒及兔子乳頭瘤病毒有七十二個單元。(人類多瘤性病毒與兔子乳頭瘤病毒幾乎相同,只不過互為鏡像。)

REO 病毒有九十二個單元,單純疱疹(由於第一型的感染部位大多為口腔周圍,所以也稱為口唇疱疹)病毒有一百六十二個單元,雞腺病毒有兩百五十二個單元,犬類傳染性肝炎病毒則有三百六十二(這也是幻數)個單元。

還是要靠數學

要證明數學模式對於形成地球生命(我們知道的唯一一種生命)的重要性,再沒有比 DNA 更令人信服的證據。DNA 之所以扮演這種角色,是因為本身的簡單幾何模式——雙螺旋。就某種意義而言,由於關鍵特徵不在螺旋,而是互補的鹼基配對,因此這不只是一種「合乎邏輯」的模式。

DNA 的關鍵特徵是互補的鹼基配對。圖/維基百科

演化在創造地球上的生命時所用的基礎,正是這個並存於觀念與物理定律中的模式,在這層基礎之上,其他的模式也建造了起來,特別是遺傳密碼——這種「準數學」之謎。為什麼是這種特殊的密碼? 基本上,任何密碼都可以,但捷足者先登,哪一種先被建造了,就有可能壓倒群雄,因為生命可以生生不息地繁衍。或許克里克是對的,遺傳密碼是一種「凍結的偶發事件」;或許何諾斯夫婦是對的,遺傳密碼亦來自深藏於物理定律中的深奧模式。

DNA 對於更廣義的生命(不再是這裡所談的生命)所扮演的角色有多重要?假定還有很多其他種類的分子可以複製,也可以把大量資訊編成密碼,那為什麼我們得到的是 DNA,而不是其他分子?

也許 DNA 是在宇宙各處都可運作的唯一一種,也許 DNA 是唯一能夠輕易從原始地球化學混合物質中演化出來的東西,也許 DNA 本身就是一次凍結的偶發事件——第一種脫穎而出的「可複製與編碼」的分子系統,開始時由於還沒有多少競爭,而使自己趁機占據地球,接下來又因為自己已經占據要津,使其他競爭者更加沒機會進行競爭,因而成為主宰者。

我不清楚。但我知道,如果沒有數學,我們就永遠無法探知。

——本文摘自《生物世界的數學遊戲》,2022 年 9 月,天下文化,未經同意請勿轉載。

天下文化_96
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天下文化成立於1982年。一直堅持「傳播進步觀念,豐富閱讀世界」,已出版超過2,500種書籍,涵括財經企管、心理勵志、社會人文、科學文化、文學人生、健康生活、親子教養等領域。每一本書都帶給讀者知識、啟發、創意、以及實用的多重收穫,也持續引領台灣社會與國際重要管理潮流同步接軌。