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缺席的普拉修,2008 年諾貝爾化學獎第 4 位得主 (1)

顯微觀點_96
・2025/02/27 ・3943字 ・閱讀時間約 8 分鐘

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本文轉載自顯微觀點

圖/顯微觀點

走進宴會廳的接駁車司機

2008 年 12 月,美國阿拉巴馬州航太重鎮,又名「火箭城」的亨茨維市有位接駁車司機請假一週,準備和妻子起飛前往瑞典斯德哥爾摩。他的禮服和皮鞋是租借來的,久違的跨國機票需要接受他人贊助,他們夫妻倆已經很久沒有長途旅行了。

這位 57 歲的男子叫做道格拉斯.普拉修(Douglas Prasher),原本受亨茨維市美國太空總署(NASA)下游承包商雇用,研發在太空艙使用的手持醫學診斷器。在 NASA 改組、中止計畫之後,他耗費近一年尋找科技職缺,最後在當地的汽車代理商擔任時薪不到 10 美元的司機。

普拉修這趟旅程終點是斯德哥爾摩市政廳「藍廳」的諾貝爾獎晚宴。當晚他只要任由司機接送,遠離油門和方向盤,但他一定會繼續在車上發揮他被家鄉乘客稱道的幽默感。

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普拉修夫妻並非任何受獎者的親友恩師,卻受到兩位諾貝爾獎得主馬丁.查菲(Martin Chalfie)、錢永健招待機票、住宿,請他們務必參與該年度諾貝爾化學獎頒獎典禮。

2008 Driver Cape Cod Times 1
2008 年,穿著公司制服的普拉修,身後是他每天接送客戶的轎車。Courtesy of Cape Cod Times

螢光熠熠的諾貝爾化學獎

2008 年諾貝爾化學獎聚焦現代生物學的最重要標記工具:讓活體基因表現、細胞運作機制得以被觀察的綠色螢光蛋白(GFP)。共享這項榮譽與 140 萬美元獎金的科學家包括:下村脩、查菲和錢永健。

下村脩在 1960 年代費盡苦心探究特殊的生物螢光來源,捕捉大量野生維多利亞多管發光水母(Aequorea victoria),純化、歸類其特有的螢光蛋白分子 GFP。

1992 年,查菲率領團隊成功基因轉殖 GFP,使大腸桿菌、線蟲等模式生物表現綠色螢光,開始實現「以螢光呈現特定細胞」的生物技術突破。

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不久後,錢永健實驗室解開GFP的氨基酸結構,繼而以基因工程創造顏色不同、強度更高、壽命更長的螢光蛋白變異體,使螢光蛋白成為生命科學最強力的標記工具。

這3位諾貝爾獎得主橫跨 30 年的成就,合力開拓了斑斕耀眼的生物影像研究大道,並引領他們到達瑞典市政廳金碧輝煌的水晶燈下,接受權貴顯要環繞祝賀。

Che2008 Interview Photo
2008 年諾貝爾化學獎得主們,由左至右為下村脩、查菲、錢永健。Courtesy of The Nobel Prize Website

無私的領先者

從分子生物學的觀點來看,他們萃取、轉殖、改造 GFP 的生物螢光三部曲中,顯然缺少了 GFP 基因序列的「解碼」工作。這段分子生物學家進行基因轉殖前不可或缺,卻不被獎勵的關鍵任務,緊扣著普拉修的人生轉折與學術職涯。

GFP 基因序列對查菲的基因轉殖和錢永健的蛋白質改造而言,像是建造大樓的地基一樣重要。為了這段基因,16 年前的夏天,兩位頂尖生物學家都曾急忙拿起電話,尋找在伍茲霍爾海洋研究所(Woods Hole Oceanographic Institution)的助理研究員普拉修。

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此時普拉修剛發表 GFP 基因序列不久。他告訴查菲和錢永健,他很樂意分享這個樣本。不同於早已和普拉修聯繫過的查菲,錢永健驚喜於普拉修毫不藏私地分享研究成果。但錢永健的驚喜馬上混入了訝異,因為普拉修表明,自己已經決定停止研究 GFP。

這個在科學發展與個人前程上嚴重錯誤的決定,並非因為普拉修被其他題材分心或缺乏遠見,而是因為他已掙扎許久。

普拉修出身自俄亥俄州阿克倫市,以橡膠工業著稱的典型美國鋼鐵帶都市,他的父親和外祖父都在輪胎工廠幹活。普拉修曾經嘗試在輪胎工廠打工一個暑假,他確認自己不適合這份當地主流的勞力工作。

出於對生物學的喜愛,普拉修攻讀生物化學直到獲得博士學位,接著獲得喬治亞大學教授柯米爾(Milton Cormier)雇用,投入維多利亞多管水母發光蛋白的發光因子轉殖計畫。

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下村脩對維多利亞水母的研究指出,這種水母具有兩種能夠發光的蛋白質,水母素(aequorin)和GFP。水母素能夠轉化與鈣離子結合的化學能,發出藍光。GFP 受水母素發出的藍光激發,繼而發出綠光。因此維多利亞水母在波浪中呈現藍綠色的光彩。

普拉修前往富萊德港(下村脩曾經攜家帶眷撈捕水母的地方),與同事分工合作捕捉大量維多利亞水母,萃取水母素與 GFP 作為解碼基因序列的材料。半年左右,普拉修就建立維多利亞水母的基因資料庫,並比對同事們萃取出的水母 mRNA 序列,逐步找出水母素與 GFP 的基因序列。

洞燭 GFP 潛力

上方為普拉修的科學職涯地圖,從中西部的俄亥俄州阿克倫市出發,結束於加州大學聖地牙哥校區,兩度橫跨美國國土。普拉修曾表示,搬家對他的家人,尤其是學齡的子女來說,造成嚴重生活衝擊。

儘管雇主柯米爾認為,水母素作為檢驗試劑具有明確的商品化機會,對生物發光現象產生濃厚興趣的普拉修卻意識到,GFP 作為生物分子標記的科技潛力比協同發光的水母素更加耀眼奪目。

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研究 GFP 的過程中,普拉修發現 GFP 可以利用內在的發色團獨立運作發光,不必與外在發色團或離子結合。而且 GFP 蛋白僅由 200 多個胺基酸構成,構造簡單輕巧,不易影響相鄰分子運作。相對之下,水母素需要與鈣離子結合才能發光,大大限制了可能的應用範圍。

  • 水母素等仰賴化學能與外在發色團的發光蛋白質,後來被稱為生物發光分子(bioluminescent molecule)。
  • GFP 等獨立吸收、放光的蛋白質則稱為螢光分子(fluorescent molecule)。

時值1987年,普拉修成為第一個對 GFP 產生堅定信心的學者。已知的發光蛋白往往需要複數分子合作放光,沒有人成功研發足以實際應用的技術。從 GFP 發現者下村脩到普拉修的同事,當時都懷疑 GFP 能否在其他生物體內獨立發光。但普拉修眼中反映的是 GFP 點亮細胞內分子謎團的光明未來。

以 GFP 照亮生命系統細節的構想普拉修在腦中成形,他將轉殖 GFP 基因進入其他生物(例如大腸桿菌)設定為首要科學目標。該年獲聘伍茲霍爾海洋研究所助理研究員後,普拉修將 GFP 基因選殖(gene cloning)、製作 GFP 基因的互補序列(cDNA)作為獨立職涯第一個重大研究計畫。

當時 GFP 處在美國學界認為「有價值」的光譜之外,普拉修的提案被認為是孤注一擲(high-stakes)的。除了美國癌症協會的 20 萬美元經費之外,普拉修未能得到其他挹注。

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儘管如此,普拉修還是帶著希望,與家人一起搬到伍茲霍爾海洋研究所附近的海灘小鎮,冀望以GFP研究踏出海洋研究所終身職(tenure)資格,同時舉家落地生根的第一步。

Falmouth Harbour
伍茲霍爾海洋研究所附近的福爾茅斯(Falmouth),是普拉修一家在 1988 年後曾居住的港口小鎮。後來為了工作搬離子女就學成長的城鎮,普拉修相當無奈。Courtesy of city-data.com

前網路時代的孤獨先知

普拉修發現自己在新職場比想像中更孤立。1980 年代的伍茲霍爾海洋研究所多數成員大多是海洋生物學家、生態學家,僅有屈指可數的分子生物學家。不僅沒有人能夠指導普拉修進行 GFP 基因轉殖,同事們也不了解生物螢光的科學潛力。

在缺少導師和同儕認同的環境中,普拉修一面經歷自我懷疑與內心掙扎,一面獨力製作 GFP 的 cDNA。同時,在研究所門外廣大的生命科學領域中,愈來愈多科學家體認到微觀生物學「眼見為憑」的意義。普拉修發表的階段性成果,逐漸吸引具有先見之明的學者。

企圖「看見」線蟲觸覺神經運作機制的哥倫比亞大學教授查菲,在 1989 年聯繫上普拉修,學到 GFP 作為生物分子標記的潛在優缺點。查菲和普拉修約定,一旦普拉修完成 GFP 基因選殖,他們就開始合作轉殖 GFP 進入線蟲與其他生物的基因工程。

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在綠色螢光之路上踽踽獨行超過一年,普拉修完成了 GFP 基因選殖,完成了互補的基因序列。普拉修刻苦完成這項 GFP 技術關鍵元素的同時,查菲正在猶他大學與新婚妻子享受學術假期。1990 年,兩人都還沒有電子郵件,普拉修僅能透過電話留言將好消息傳達給查菲,然而訊息猶如石沉大海。

沒有查菲的幫助,普拉修獨自啟動 GFP 基因轉殖實驗的過程並不順利,在他成功使大腸桿菌發出螢光之前,研究經費已經耗盡,新的申請卻四處碰壁。

除了經費,伍茲霍爾海洋研究所同事的漫不在乎更讓普拉修徬徨無助,他在所內的研討會報告和升等考核並沒有得到太多肯定,他感到自己距離終身職資格愈來愈遠。儘管如此,普拉修的 GFP 基因序列解碼成果依然在 1992 年 2 月發表於重要期刊《基因》,並在日後被引用上千次。

GFP技術之前的線蟲神經元標記方法,最上圖為線蟲的觸覺神經受器位置。第二圖為免疫染色,第三圖為β-半乳糖苷酶標記法,第四圖為原位雜交標記。對查菲來說,這些方法都需要繁雜的製備過程,並且只能觀察死去的固定組織,限制了他的探索。Courtesy of M. Chalfie
GFP 技術之前的線蟲神經元標記方法,最上圖為線蟲的觸覺神經受器位置。第二圖為免疫染色,第三圖為 β- 半乳糖苷酶標記法,第四圖為原位雜交標記。對查菲來說,這些方法都需要過於繁雜的製備過程,並且只能觀察死去的固定組織,限制了他的探索。Courtesy of M. Chalfie

當年循這篇論文追本溯源而來的科學家,包括正在尋覓恰當螢光蛋白的錢永健、依然渴望視覺化線蟲神經元的查菲。他們不僅希望獲得 GFP 的基因序列,也相當樂意和普拉修合作進行深入研究。

延伸閱讀:缺席的普拉修,2008 年諾貝爾化學獎第 4 位得主(2)

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不是不會髒,而是更難沾:耐污馬桶的表面科學
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2026/09/22 ・3364字 ・閱讀時間約 7 分鐘

本文與 Panasonic 合作,泛科學撰文 

●以下科學研究內容作為知識分享,不直接與Panasonic A La Uno全自動洗淨馬桶產品功能連結

在做家務的痛苦排行榜上,「刷馬桶」絕對名列前茅。明明天天都在沖水,但過不了幾天,馬桶內壁邊角總會浮現黃黃的水垢、角落發黑的霉斑,甚至是那些刷掉又長出來的粉紅色污垢(黏質沙雷氏菌)。

許多市售衛浴設備常標榜「神奇抗污」或「永久不沾」,讓人誤以為安裝後便能永保潔淨。然而從材料科學的角度來看,世上並無能使污垢憑空消失的魔法。所謂「耐污」的實質機制,並非打造完全不沾染髒污的材質,而是調整表面的物理與化學屬性,使水垢和微生物難以強力附著。一旦降低了污垢與內壁之間的附著力,透過日常水流沖刷,便能輕易地將髒污帶走。

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為什麼垢「黏不住」? 

要搞懂為什麼某些特殊表面能做到「耐污」,我們得先像偵探一樣,拆解馬桶裡的髒污究竟是怎麼「抓緊」材料表面的。馬桶內壁的污垢主要有兩大難纏的元兇:

  1. 水垢與礦物沉積*1:我們日常使用的自來水中含有鈣、鎂等金屬離子。當水滴在表面經歷反覆的濕潤與蒸發乾燥循環時,這些離子會逐漸結晶析出,變成硬度極高、緊緊「卡」在微觀縫隙裡的礦物質水垢。
  2. 生物膜與有機物*2:包含尿液中的無機鹽、油脂殘留,以及細菌入侵後分泌出像超強膠水一般的聚合物,所組成的黏滑防禦大本營。
關鍵不是沖水,而是「這些污垢如何抓住表面」

這兩大類污垢想要在材料上「落腳」,前提是它們必須能在表面找到足夠的附著點與黏合力。那麼,材料科學家是如何讓這些髒污「站不穩」的呢?答案就藏在「表面能(Surface Energy)」與「濕潤性(Wettability)」這兩個核心概念中。

當我們把水滴在某個表面上時,水滴會聚成一顆圓滾滾的水珠,還是迅速攤平開來?這取決於表面的特性:

  • 疏水路線(Hydrophobic)*1:具備低表面能的疏水表面,能顯著減少水分子或污染物與表面之間的極性作用力與氫鍵。水滴在這種表面上會因為表面張力而收縮成水珠,當水珠滾動滑落時,就能順便把表面的灰塵與礦物質顆粒帶走,這就是著名的「自清潔效應」。
  • 親水路線(Hydrophilic / Superhydrophilic)*2:相反地,極度親水的超親水表面則會強烈地吸引水分子,在材料最外層形成一層薄薄的「水化層(Hydration Layer)」。這層水化層就像是實體的液體盾牌,讓油污、蛋白質或細菌無法直接接觸到材料基底,只能漂浮在水膜上方。

如果要用攀岩來比喻:傳統粗糙的表面就像是有許多凹槽的攀岩牆,髒污就像攀岩者,需要找到落腳點並用力撐住才能攀附;而我們做的是抽掉把手點,或是在把手上塗上潤滑油,讓髒污找不到施力點,自然難以停留。

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材料科學的核心:想辦法讓污垢「抓不住」

不給細菌「握手」的機會

解決了水垢,下一個更棘手的對手是「細菌」。

馬桶內壁那些黑黑粉粉、摸起來滑滑的污垢,在微生物學中被稱為「生物膜(Biofilm)」。細菌並不是孤立生長的,當單顆細菌落在表面後,如果覺得環境舒適,它就會開始分泌胞外聚合物(EPS),這是一種天然的超強膠水。細菌們用這種膠水把自己與同伴緊緊黏在一起,並築起堅固的防禦堡壘,這時一般的沖水就很難把它們沖洗乾淨了。

根據《Nature Communications》與《Microsystems & Nanoengineering》的學術期刊研究指出,要阻止生物膜形成,除了化學上的抗菌,材料的「表面微幾何結構」扮演了至關重要的角色。

材料科學領域中有一個著名的「附著點理論(Attachment Point Theory)」:

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  1. 粗糙與微孔洞表面:如果材料表面存在許多微小的裂縫、氣孔或微米級凹洞,細菌(體積通常約 1 到 3 微米)就會興高采烈地鑽進這些小凹槽裡。這些凹槽不僅提供了極佳的機械咬合支點,還能幫細菌擋掉水流的沖刷。
  2. 極致平滑與微結構表面:相反地,如果材料表面做到極致平滑,完全沒有微米級的缺陷;或者反過來設計出尺寸遠小於細菌的奈米結構,細菌的足跡構造(如鞭毛或纖毛)就無法在表面找到穩固的「接觸附著點(Contact Points)」。

當細菌發現自己在這個表面上連「手都握不緊」、隨時會被水流吹走時,它就無法順利定殖並分泌膠水築巢。此外,現代衛浴結構在設計時,也越來越強調「一體成形」與「無接縫工藝」。消除接縫與死角,等於直接拔除了細菌與水垢最喜歡的避風港。

阻止細菌、生物膜找不到「落腳點」

當材料、結構與流體科技組隊聯防 

了解了材料化學與微觀幾何,我們就能勾勒出一座現代耐污馬桶的完整防禦體系:【材料層(低附著力)】+【結構層(無縫平滑)】+【動態流體層(泡沫與水流剪切力)】= 高效清潔!

以市面上備受矚目的 Panasonic A La Uno 全自動洗淨馬桶為例,就是將材料科學、結構工程與流體力學發揮到極致的典型代表:

1. 材料層:有機玻璃系新素材

A La Uno 全自動洗淨馬桶採新開發的「有機玻璃系新素材」(以壓克力高分子為基礎研發的衛浴專用材料,這類高分子成形技術亦被廣泛運用於大型水族館高壓觀景窗與飛機機艙罩)。這種材料表面具備極佳的疏水性與耐水垢特性,水滴不易長時間攤平停留;材質堅固、不易破裂,耐刮、不易造成細小傷痕。通過實驗測試,這種素材配合泡沫洗淨,在沖洗後能有效沖刷掉高達 99.99% 的大腸桿菌,從源頭阻斷細菌定殖。

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2. 結構層:無接縫工藝與三重防濺防護

在宏觀結構上,A La Uno 全自動洗淨馬桶採用無水箱沖水與便器、溫水洗淨便座一體成型設計,減少傳統水箱與座體之間的結構層次及接縫,並搭配可動迴轉式排水系統完成沖洗。更貼心的是其「三重防護」設計:

  • 泡沫防護:在水面上製造一層充沛的泡沫緩衝層,有效抑制男性站立小便時的尿液與污水飛濺;
  • 外圍防護:馬桶邊界特別設計了高約 3mm 的水檔,防止液體延著外壁滴落至地板;
  • 測漏防護:便座與馬桶本體採用不外露的防護設計,避免液體從縫隙飛濺滲漏。
Panasonic A La Uno 全自動洗淨馬桶

3. 動態流體層:雙效泡沫洗淨、漩渦水流與 nanoe™ X

當污垢降落在馬桶內壁時,A La Uno全自動洗淨馬桶 的動態流體科技便接手進行徹底打掃。其「雙效泡沫洗淨」會先釋放直徑約 5mm 的「毫米泡沫」包裹並帶走大塊髒污,再透過直徑約 60微米的「微米泡沫」深入微觀縫隙,徹底溶解殘餘的油脂與細微污垢。接著,配合高度清潔力的「漩渦型強力水流」,利用旋轉產生的流體剪切力,一口氣將附著力已被削弱的污垢剝離並沖走。此外,Panasonic A La Uno 全自動洗淨馬桶還搭襯了 nanoe™ X 健康科技,釋放氫氧離子有效抑制異味與髒污,維持空氣與內壁的良好衛生狀態。

科技讓生活變輕鬆,但物理法則依然誠實

從材料化學的低表面能設計,到微觀幾何的附著點控制,再到流體力學的水流沖刷,一座現代抗污馬桶的演進,縮影了人類如何運用基礎科學來解決日常生活痛點的智慧。

我們習慣將衛生清潔想像成一場與細菌髒污的硬碰硬死鬥。然而,A La Uno全自動洗淨馬桶 等現代衛浴技術的突破,展示了材料科學的另一種聰明思維:不靠強酸強鹼硬打,而是透過物理與化學邏輯,將「污垢固著」的機率降到最低。

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當材料科學與現代衛浴技術結合,刷馬桶不再是一件令人頭痛的辛苦瑣事。透過這些前沿科技的加持,我們得以從繁重的家務勞動中解放,享受更加乾淨、舒適且有品質的日常生活。

*1 參考論文:A metallic anti-biofouling surface with a hierarchical topography containing nanostructures on curved micro-riblets

*2 參考論文:Brushing up functional materials

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