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轉基因作物不確定性的不確定性

科學松鼠會_96
・2013/11/05 ・4501字 ・閱讀時間約 9 分鐘 ・SR值 546 ・八年級

文/冷月如霜

科學網吳炬老師的《一片亂象——轉基因作物的不確定性》一文,是我現在看到的所有質疑轉基因作物的文章中,水平最高的一篇。這樣以科研論文為依據的質疑,也正是討論轉基因作物安全性所必需的。不過在我看來,文中的一些觀點有待商榷,這裡也不妨談一下自己的觀點,若有不對,還請指正。

在目前帶有抗蟲基因的轉基因作物中,轉入合成BT蛋白的基因的作物佔了很大一部分[1],這也是吳炬老師文中所討論的毒素。簡要說來,BT蛋白是一種細菌中合成的一類蛋白質(BT是這個細菌學名的縮寫),一些鱗翅目(比如蛾子,蝴蝶)、雙翅目(比如蚊子)、或鞘翅目(比如甲蟲)的幼蟲食用了這些蛋白後會造成消化道上皮細胞穿孔,影響一系列生理活動而死亡。很多人關心含有BT蛋白的轉基因作物的一個主要問題就是——既然BT蛋白能殺死這些幼蟲,那麼同樣的毒性是否會造成人的消化道上皮細胞穿孔呢?

目前為止,學界的答案是否定的,理由有三。其一,BT蛋白需要在鹼性的環境下才能溶解並正常工作。這些幼蟲的消化道內的環境為鹼性,但人體消化道的環境卻大多為酸性,僅在迴腸末端出現了弱鹼性的環境 [2][3](並非醫學專業,倘若所引資料有誤還請指正)。如果這些蛋白不被順利溶解的話,是連蛾、蝶的幼蟲也殺不死的 [4]。

其二,鹼性環境雖是必須,但卻仍不足以讓BT蛋白發揮出其活性。在鹼性環境下,這些BT蛋白還需要經過蛋白酶「切上一刀」,才算被正式活化。做個不算非常恰當的比喻,有些電影你不剪掉一點片段,是無法上映的。這些蛋白酶有著較高的物種特異性,在蝴蝶體內存在的蛋白酶,在甲蟲體內未必存在。只有當特異的蛋白酶存在時,BT蛋白才會顯現出毒性。

其三,這些「動過手術」後的BT蛋白只有結合在上皮細胞的受體後,才會啟動一系列的反應,使上皮細胞的細胞膜穿孔,並最終導致幼蟲的死亡。這個蛋白與受體的結合也是高度特異的。再拿電影舉個並不是百分百契合的例子,如果剪出來的片子是動畫片,那麼就應該投送兒童頻道;剪出來的片子是紀錄片,那麼就應該投送記錄頻道。正是因為「鹼性環境,特異性蛋白酶和特異性受體」這三者缺一不可的組合,才讓目前的學界認為作為殺蟲劑的BT蛋白對脊椎動物來說是安全無毒性的[5]。

正因為如此,在2012年發表的一篇論文中,已經有實驗室開始考慮使用BT蛋白殺死人類腸道中寄生蟲的可能,並已經在小鼠中取得結果[6]。此外,在大家的心目中有機食品已經成了天然食品的代名詞,似乎與轉基因作物水火不可兩立。但實際上,在有機農場裡噴灑含有BT蛋白的殺蟲劑的做法相當常見,已經沿用了50多年[7]。

討論過BT蛋白的毒理與安全之後,我來提一下與吳炬老師觀點的不同之處。吳炬老師在他的文章中說他在一篇論文中發現「在這個實驗中,證實了Cry蛋白可以與牛、豬的BBMV的結合」。我個人對此持保留意見。

首先,原始實驗的一個主要做法是CPT。簡要說來,游離的BT蛋白與BBMV混合後進行高速離心。原作者認為與BBMV結合的BT蛋白會沉在離心管的底端,然後藉由常規的蛋白膠電泳和western-blot就能測試BT蛋白與BBMV是否能夠結合。但這是一個非常粗糙的方法。在這個方法中,蛋白很容易會發生非特異性的結合。在我的一次CPT實驗中,原本應當是負對照GFP在經過western-blot後也顯示出了條帶,事後的分析顯示GFP可以和離心管壁發生結合而吸附在上頭!因此在我看來,由於沒有給出負對照蛋白與BBMV結合與否的圖片,文中這個實驗方法並沒有說服力。其次,即便這個實驗中BT蛋白確實與BBMV發生了結合,也不能說明什麼問題。吳老師所提到差異不明顯的結果(3.2(蠶)對1.9(豬),的確相當接近)是BIAcore的結果,而文中同一段還展示了共沉澱的western結果,蟲與哺乳動物的條帶差異非常明顯,而那篇論文的最終結論,用吳老師自己的話描述,「……看到一篇報導涉及Cry蛋白對哺乳動物小腸上皮細胞的實驗,說Bt蛋白不影響小腸上皮細胞的膜完整性。」也就是說,該論文的觀點是支持BT蛋白對人無毒性的。

不過吳炬老師自己也說了,「在Cry蛋白的毒性作用中,最關鍵的並不是Cry蛋白與小腸上皮細胞刷狀緣囊泡(BBMV)的結合,而是結合鈣黏蛋白樣受體後,促進了Mg2+依賴的信號途徑,從而使得細胞死亡」。在這裡,我同意前半句,不同意後半句。結合受體後的具體途徑目前有兩種模型,Mg2+只是其中的一種,而這兩種模型並沒有得到很好的區分[8]。不過這一點瑕不掩瑜,吳炬老師可能只是一時筆誤,因為他自己在後面也提到 「在已看到的資料中,Cry蛋白一定會與哺乳動物小腸細胞接觸,但是毒理學研究卻呈現不同的理論。一是受體-信號理論,即Cry蛋白結合受體後,由受體導致Mg2+依賴的信號途徑,激活胞內凋亡信號,從而殺傷細胞;二是成孔蛋白理論,即Cry蛋白本身,由受體促進水解,成熟蛋白寡聚,在細胞膜上形成孔道,造成滲透壓shock」。

在提到BT蛋白受體時,吳炬老師說它們「均來自昆蟲,屬於鈣黏蛋白樣受體(Cadherin-like receptor)。而哺乳動物中大量存在不同類型的鈣黏蛋白,未知是否能夠參與Bt蛋白的細胞毒性功能,這方面的研究報告很少」。我在下午嘗試搜索了一下,或許是我設置的關鍵詞不對,搜出來的論文有很多,但卻沒找到詳盡分析哺乳動物的蛋白是否能夠參與BT蛋白毒性功能的論文,所以目前為止我同意說「這方面我能找到的研究報告很少」。但我不是很同意吳炬老師的推論。在我的理解中,吳炬老師是想暗示說由於動物中有著大量不同類型的鈣黏蛋白,所以有可能會出現一些能夠結合BT蛋白的受體,使BT蛋白在人體中表現出毒性,造成安全上的不確定性(當然,如果吳老師沒有那個意思,就當我這段話是廢話好了)。我的反對意見如下:在BT蛋白結合受體前,需要通過蛋白酶的「切一刀」才能表現出活性(參見上文中BT蛋白毒理的第二條),即便吳老師發問說「哪種細胞沒有鈣黏蛋白?哪個組織沒有鹼性磷酸酶?」,我也還是堅持說這些蛋白酶是有特異性的。如果人體中沒有這些蛋白酶,那麼出現這些受體又怎樣呢?何況目前學界普遍認為人體中沒有這類受體。此外,吳老師在下文中也提到「比如Cry1Ab與Cry1Ac,儘管序列相似度很高,但卻可能通過不同機製作用目標昆蟲的中腸細胞[11],不同受體對不同Cry蛋白的親和力不同」。我同意這一點,受體也是有特異性的。但在我看來,雖不能說人體裡肯定沒有能與BT蛋白相結合的受體,但從人類與昆蟲的親緣關係看,在確鑿發現某個受體與BT蛋白能夠結合之前,我傾向於認為人體裡不存在這個受體(當然我的這個觀點沒有定論,歡迎討論)我搜索了和蛋白酶/受體特異性相關的論文,並沒有找到什麼支持我,或者支持吳老師的證據,因此反對歸反對,我不能說吳老師肯定錯,也不能說肯定對。為了讓吳老師心安,我覺得在分析完人體內所有的蛋白酶能否切割BT蛋白,以及所有的受體能否結合活性BT蛋白之前,這個問題是沒有定論的,需要時間和更多的研究。

談完BT蛋白的毒理與安全性,我們再來看看轉基因技術的理論是否成熟吧。吳老師說「被轉入真核生物的基因沒有相應的糾錯機制,如果算突變機率,則被轉入的這段基因的突變機率將高於基因組的其它部分」。我不知道您說這話的依據是什麼。轉進去的基因需要整合到基因組裡面才能起作用,轉進去的基因已經成為基因組的一部分了,和基因組的其他部分沒有區別。DNA聚合酶帶有「校對」的功能,能夠檢查新複製的DNA鏈上是否有錯讀;Photolyse可以切掉聚合的T;Endonuclease可以切掉錯配的鹼基;Helicase可以把整段錯配的DNA給切下來。吳老師是認為由於轉入的基因原本屬於原核生物,它就不經過真核生物細胞內的一系列防錯設施了嗎?還是說由於吳老師覺得轉入的基因沒有內含子,所以就不享受真核生物細胞內的福利呢?其他我不敢說,不過要知道,模式植物擬南芥中沒有內含子的植物基因可不少呢……依我看,我認為這些基因依舊享有真核生物的糾錯機制。

關於吳老師提出的轉基因對植物基因組的影響,我也有些不同的觀點。

吳老師提出了三個問題。第一,「它本身插入的位置,是否會因為上、下游核苷酸而產生移碼突變,造成啟動子失靈或終止子失靈」。我的回答是啟動子(promoter)和終止子(terminator)沒有移碼突變,因為它們不編碼。如果吳老師說的啟動子和終止子是指「起始密碼子」和「終止密碼子」,提的問題是這個基因能否順利開始轉錄和停止翻譯,那麼這個問題只要通過提取基因組DNA並測序就能解決,在我手裡前後不過兩天的時間。

第二,「這樣無數段人造基因插入是否會破壞植物基因組結構,使原有基因產生錯誤表達?從而產生不希望的甚至有毒害的物質」。我的回答是轉基因作物一般都需要確認單拷貝插入。事實上,我們追求單拷貝插入,是因為多拷貝容易造成共抑制,導致沉默,所以單拷貝插入通常是表達量最高的。無數拷貝插入的情況首先就過不了研發關,因為它們通常都是無用的廢物,更別說用於生產了。至於原有基因錯誤表達,這是有可能的,但同樣通過提取基因組DNA並測序可以解。不過現在,關於基因表達的研究開始考慮到染色體的三維結構,而這三維結構是有可能被改變的。會不會造成影響,會造成什麼樣的影響,現在誰也不知道。

第三,「由前所述細胞組分的網絡關係,這些外源蛋白是否會對細胞的正常代謝造成很大的影響,增加或減少次級代謝產物而不適於人類食用」。這是一個非常好的問題。由於調控網絡的複雜性,牽一髮而動全身非但不是什麼不可能的事情,反而非常常見。舉例來說,將原本豎著放的植物橫著放10分鐘,裡頭的RNA水平就可能有所改變。但我不覺得談到改變就彷彿一定會造成多大的危害。在我看來,一代一代選育優良性狀也好,雜交作物也好,裡面的基因調控網絡的改變不見得會比轉基因造成的改變少。至於這些改變會具體造成什麼影響,當然要具體問題具體分析。事實上,每一種新的轉基因作物進行安全評估的時候也依然要進行這兩方面的檢測。而其他育種方式的「不確定性」即使真的比轉基因小(這個「即使」很可能並不成立,比如怎麼論證誘變育種的「不確定性」比轉基因的小?),因為不對它們進行檢測,所以上市產品的不確定性也完全可能比轉基因的要高。

除了這些分歧之外,我還是同意吳炬老師其他的一些觀點的。比如我贊同不應當在實驗室中廢棄轉基因技術(當然這也是做不到的,不然生物學就無法發展了)、也同意在轉基因食品上市前需要做嚴格的安全性測試。鑑於吳炬老師說「應該鼓勵喜歡的人多吃,這樣可以驗證轉基因食品對人體的不確定性」,我想說包括我在內,我身邊還真有不少朋友願意當這樣的人體小白鼠。只要提供的轉基因食品真實有效,我願意充當這樣的先鋒。

時間與水平有限,討論就到這為止,參考資料的格式沒有統一,也請各位諒解吧。如文中有疏漏與錯誤,還敬請指出。

 

注:我一貫支持「比喻不能替代說理」。因此文中的比喻只是為了方便理解,與本體的邏輯關係或許並非一一嚴格對應。

資料來源:

  1. 轉基因30年實踐——農業部農業轉基因生物安全管理辦公室、中國農業科學院生物技術研究所、中國農業生物技術學會
  2. Intraluminal pH of the human gastrointestinal tract, Fallingborg J, Dan Med Bull. 1999 Jun;46(3):183-96.
  3. Intestinal luminal pH in inflammatory bowel disease: possible determinants and implications for therapy with aminosalicylates and other drugs, S G Nugent, D. Kumar, Gut 2001;48:571-577 doi:10.1136/gut.48.4.571
  4. Bacillus thuringiensis: Mechanisms and Use, A Bravo and M Soberon, Comprehensive Molecular Insect Science. 2005, Elsevier BV, Amsterdam, pp. 175–206
  5. Bacillus thuringiensis: a century of research, development and commercial applications, Georgina Sanahuja, Raviraj Banakar, Richard M. Twyman, Teresa Capell, Paul Christou, Plant Biotechnology Journal (2011) 9, pp. 283–300
  6. Bacterial pore-forming proteins as anthelmintics, Yan Hu and Raffi V. Aroian, Invert Neurosci (2012) 12:37–41
  7. http://www.bt.ucsd.edu/organic_farming.html
  8. Current models of the mode of action of Bacillus thuringiensis insecticidal crystal proteins: A critical review. Vincent Vachon, Raynald Laprade, Jean-Louis Schwartz, Journal of Invertebrate Pathology , 2012

轉載自科學松鼠會

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烘焙東西軍,有添加麵包 vs. 無添加麵包,今天想吃哪一道?
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2022/09/20 ・2178字 ・閱讀時間約 4 分鐘

本文由 家樂福食物轉型計畫 委託,泛科學企劃執行。

  • 文 / 陳彥諺

《烘焙東西軍》熱映開播啦!這一集真的很「熱」,因為節目邀請到了兩位烘焙達人來到現場熱烘烘的烤!麵!包!

第一位華麗登場的,是有著亮麗小鬍子、動作咻咻咻超有效率的「有添加師傅」,另外一位古意老實、動作慢條斯理的,則是近年來越來越被看重的「無添加師傅」——這是一場「有添加」與「無添加」的世紀大對決!

《烘焙東西軍》這次邀請了「有添加師傅」和「無添加師傅」來烤麵包。圖/家樂福提供

「有添加」與「無添加」的世紀大對決

外表亮麗的有添加師傅,其實早已憑著「三好」稱霸市場多年。所謂的三好,是好快、好吃、好美!為何會這麼說呢?

食品添加物存在於食品中許久,早期因為食物加工技術不夠精良,為了食品安全無虞,便添加可以讓食物安定的添加物,延長保存期限。又因為食品添加物可以改變食品的外觀、口感、縮短製作時程等,因此,長期以來受到業者及消費者的偏愛。

有添加師傅憑著「好快、好吃、好美」稱霸市場多年。圖/家樂福提供

不過,近來由於食安事件頻繁,食品添加物早已偏離了原先讓食物安全的初衷,在追求好吃、好快、好美的背後,卻可能造成身體上的負擔與健康風險!製造過程是否安全合理?乾淨衛生?也是打了許多問號。

再加上現在因健康養生的意識抬頭,消費者們越來越注重吃下肚子的食物成份,開始努力追求簡單無添加。也因為隨著食品加工技術越來越棒,能夠透過改善製程,有效減少添加物的必要性。終於,在消費者意識抬頭、技術成熟等各方條件皆備下,古意老實、耗費工時的無添加師傅,多年以後,開始受到矚目啦!

在這場世紀對決中,有添加師傅在民眾都還來不及反應時,就已經做好了熱騰騰的麵包,每一個麵包都飽滿好看、香氣濃郁,簡直是施了魔法一樣!但見到這麼多食品化工添加物做出來的麵包,難道就不能有更健康的材料選擇或做法嗎?

反觀無添加師傅,他按部就班的從麵粉開始精心挑選,接著再逐一加入可以溯源的材料,接下來,順應麵包的特性自然發酵。即使有添加師傅已經端出熱騰騰的麵包了,無添加師傅仍然不為所動,他循序漸進,寧可耗時製作,堅持做自己的無添加麵包。

無添加師傅之所以堅持,那是因為他秉持著麵包不用任何添加物,不講求快速便利,用純淨的原料配方、遵循傳統法國工法,做出來的麵包也可以照樣香氣四溢、美味好吃,更重要的是每一口都吃的健康又安心!

無添加師傅堅持不用任何添加物,不講求快速便利,用純淨的原料配方、遵循傳統工法。圖/家樂福提供

當兩位師傅的麵包端上評審桌⋯⋯

有添加師傅的麵包外表金黃澎潤漂亮,無添加師傅的則是外表非常質樸。

不過,當評審們吃下麵包後,外表質樸的無添加師傅,竟然擄獲了評審們的心!

怎麼辦到的呢?這是因為花了較多時間製作的無添加麵包,保濕度較佳,口感也較有層次。當評審一口接著一口品嚐,會發現吃的都是食物的鮮甜原味—無添加麵包是名為「裸麵包」的寶藏男孩啊!他不同於外表上看起來質樸敦厚,只要用心切開,裏頭包裹著滿滿新鮮在地的果乾和堅果,是誠心誠意的美味。

烘焙界的寶藏男孩「裸麵包」,是怎麼來的?

堪稱烘焙界的寶藏男孩「裸麵包」,是來自於家樂福自製的烘焙產品。長期關注食物真實性與為顧客把關健康的家樂福,2014 年就開始著手了「無添加驗證計畫」,也在 2019 年取得了「A.A. 無添加驗證標章」,更透過第三方專業機構親赴產線檢驗、不定期抽查等層層審核程序,取得了嚴謹認可。

要打造寶藏男孩般的「裸麵包」,並不是容易的事。許多標榜安心安全的麵包,都只能做到製程及配料上的無添加;而追求極致的家樂福,自製白吐司則從特製 100% 的無添加麵粉開始,掌握源頭,做最純淨、最真實且赤裸的麵包。

這是一款依循歐盟規範,取得 A.A. 無添加標章,第三方驗證後可信賴的麵包。

這是關注在地的暖心麵包,嚴選在地好食材、講求動物福利,選用當季水果、非籠飼雞蛋、透明鮮奶、以安佳奶油取代人造奶油⋯⋯。

這是減塑又減廢,以醜蔬果製作配料,減少食材浪費,更導入環保包材,友善環境的麵包。

烘焙東西軍「有添加師傅」與「無添加師傅」的對決,我們看到了,天公疼憨人,穩扎穩打、工法較繁複的無添加製程,受到消費者的青睞——這一場對決,由純粹、誠實、充滿善意的裸麵包,「無添加師傅」獲勝。

【家樂福食物轉型計畫】烘焙東西軍「有添加麵包」v.s.「無添加麵包」的世紀對決,今天你選哪一邊?影/YouTube
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鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
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研究的樂趣來自於「不知道答案」——專訪林淑端
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2022/07/18 ・6048字 ・閱讀時間約 12 分鐘

本文由 台灣萊雅 L’Oréal Taiwan 委託,泛科學企劃執行。

不論是在分子生物研究所的實驗室裡,還是在中研院區內悠閒的林蔭步道上,我都沒辦法跟上林淑端的腳步,更遑論她話語中的資訊高密度,而我不是唯一跟不上的人。「最早從美國回來的時候,跟學生面試,問問題、看反應。學生竟然說『老師你講話好快、走路好快』,讓他有壓力。」談到自己怎麼挑人進實驗室,風格數十年不變的林淑端說「這樣就挑掉一些了」。

嗯,還好我只是來採訪的。

看不出來還有三年便七十歲的林淑端,身著輕便無印風的苔蘚綠寬鬆 T 恤與岩石灰長褲,圍著一條藏青色的短圍巾,像位遁居山林的高人,卻也像個躍躍欲試的孩子。

身為科學家,她表示做研究不外乎是因為現象「很有趣」,以及想了解此現象的「重要性」。1982 年,她毅然結束四年的中學教職,前往美國德州大學念博士班。起初她待的研究室重點是癌基因,當時學術界認為任何化學物質都會引發突變、產生癌化,但其實不然。因此觀察細胞一年之後,找不到重要性的她決定換一個研究室。

林淑端的新老師 Hans Bremer 研究細菌生長。細菌很小,眼睛看不到、種類繁多,「有許多有趣的想像空間」,又有重要的抗藥性議題,就這麼吸引了她。Bremer 博士當時研究的是 rRNA(核糖體 RNA)的轉錄調控,這機制跟細胞的生長快慢有關係;順著這個理路,她想那不妨來看質體(Plasmid)上的轉錄,質體是細胞染色體或核區外,能夠自我複製的 DNA 分子,而有些細菌的質體帶有抗藥基因,便產生了抗藥性。

「質體 DNA 的複製源頭其實是由兩個 RNA 在調控,但我想了解是正調控還是負調控。」簡單來說,正調控(positive control)是指能促發生物活性啟動,而負調控(negative control)則是抑制活性,使基因不表達。

當時林淑端讀了富澤純一(Junichi Tomizawa)這位日本科學家的研究,覺得驚為天人。「怎麼能把 RNA 的序列、突變的結合、次級構造,複製如何開始等等細節研究得那麼好!」見賢思齊且一向認真的她,當然也要把研究做到同等級。為了偵測細胞中的相關 RNA 濃度,林淑端不斷嘗試,她說自己運氣好,當時實驗室有好幾位來自德國的研究者,「他們的自製機械技工很好,但通常是做 DNA 電泳槽,但我想研究 RNA,他們就手工幫我做。」

使用毛細管轉移(Capillary Transfer)到膜上,透過探針偵測,她一步步逼近目標,「後來發現都對啊!」透過實驗,她證明 RNA 降解的快慢的確跟質體 DNA 的複製有關,作為博士班階段第一篇研究,也是她成為國際級 RNA 研究者的基礎。

現在歸納來看,林淑端認為好的研究要同時具備獨特切入點(例如極小的 RNA)與重要性(質體 DNA 複製的機制),這也是後續她做所有研究的必備條件。

然而若回到當時,身為 RNA 降解這一研究方向的拓荒者,她坦言「其實很 suffer」。

「大家做的都是 RNA 的剪接,問要切哪個位點結構才會對;好像做衣服,剪完不要的布就丟掉了,人家覺得降解是沒有用的。」林淑端坦言自己回到台灣之後,足足悶了五年,每一年進度報告審查,都被委員質疑「RNA 降解有什麼用?不是就沒了嗎?」但就像每一位貨真價實的科學家,她表示「我好奇、我有熱情、我感興趣,我就是要問到底。」

自從第一篇研究發現 RNA 降解的生物功能,林淑端已經有很清楚的概念:從穩定度可以知道半衰期,也就是濃度降低到一半所消耗的時間;半衰期跟 DNA 複製有關,從 DNA 可以看出強度、複製量。其中必須有特定的 RNA 酶,它的突變變得對溫度敏感並決定細胞存活,而這又帶出很多問題,例如為什麼細胞需要這個酶、為什麼失去活性細胞會死掉?她說,很多問題到現在還沒有很清楚的答案。她從多方著手解謎,從讀博士班到現在即將退休,從未停歇。

她說,科學家就是很執著的一群人,不然做研究這件事「95% 的時候是失敗的」,很難撐下去。然而重點不是 5% 做對了什麼,而是那 95%,「因為沒有那 95%,就沒有那 5%。」她形容到後來 5% 的時候,會感到「That’s it !」而在那個當下,整個團隊都進入了另一個狀態。這個最後一步的感覺,要靠累積磨練出來。

然而一道門開了,後頭有無限道門。為了研究室裡年輕研究者的職涯,將退休的林淑端已鎖定最後一道門,要在三年內找到鑰匙,「我要去證明這個領域裡一直沒有答案的問題。」她說,現階段想加入她實驗室的新人,需要全心全神認同她要問的問題,有共識且極為專注。

如今,因為冠狀病毒是 RNA 病毒,新冠疫苗也利用 mRNA 技術開發,全世界的人都知道 RNA 了,但知道歸知道,研究 RNA 獲得的新知還可以用在哪裡呢?

林淑端感嘆,回台灣前五年她之所以苦悶,就因當時學界普遍認為 RNA 降解根本不值得關注,何必研究?然而回頭看,不論是在大腸桿菌表現或藉由昆蟲細胞來量產蛋白,所有要在體外表現蛋白的醫藥,都要製造一個模板,讓 mRNA 表現蛋白,而要做到這件事需要先了解脆弱的 RNA 在細胞的穩定度如何維持,這時她自基礎研究發展的知識立刻派上了用場。

「我現在常常在想,RNA 疫苗如果要不那麼快降解,可以透過修改核苷酸,因為核糖核酸酶(RNase)是用正常的 RNA,又例如利用富含腺苷酸跟尿苷的元件(AU-rich elements, AREs,這是哺乳類動物細胞中 RNA 穩定性的最常見決定因素),控制 ARE 穩定性的分子機制,細胞表現的 RNA 就可不會降解……這個應用性很高,是吧!」對她來說,基礎研究科學的應用性不必強求,因為主要是增加新知識。當基本功扎實,想得到或者需要應用的人跟場景自然會刺激研究人員去想怎麼解決、如何應用。

打開學術生涯最後一道門

如前面提到,林淑端在退休前要解開一個問題:大腸桿菌在腸道最後段的缺氧環境會切換成厭氧消化,然而厭氧菌分解同樣多葡萄糖獲得的能量,比起有氧狀態下少了十倍以上,那麼 RNA 降解的機制是否也跟實驗室有氧狀態下的降解很不一樣?而這對人體的腸道微菌叢生態以及腸道代謝會有什麼影響?

分解葡萄糖產生能量,簡稱糖解(glycolysis),在生物分子層次可劃分出十個步驟、牽涉到十個蛋白酶,烯醇化酶(Enolase)是其中之一。林淑端團隊在 2017 年發表的論文中發現烯醇化酶在 RNA 降解中也有作用,並確認了它的功能,「證明烯醇化酶對無氧環境下細菌細胞分裂很重要,而且必須要在核糖核酸酶 E 上面,沒有烯醇化酶跟核糖核酸酶,大腸桿菌就活不了。」

在此基礎上,林淑端與研究團隊提出假說:糖解過程跟 RNA 降解兩者之間有某種交流,可能是蛋白與蛋白直接接觸,或是藉由「第二訊息」,比如被稱為能量貨幣的三磷酸腺苷(ATP)。例如,兩個過程可能對 ATP 互相需求而產生合作,因為葡萄糖最終產生 ATP,而 RNA 最終降解成為一個一個核苷酸,其中的二磷酸腺苷(ADP),就是 ATP 的前驅物。「RNA 沒有用,一定要降解,否則它的核苷酸沒辦法回收再利用。在細胞裡面沒有任何廢物,百分之百再利用,他們中間就是有默契,這就是我要證明的。」林淑端說,她們已經找到了完整的拼圖,只是還不知道怎樣拼起來,但方向看起來可行。

作為她研究生涯最後的計畫,在之前申請計畫階段,中研院邀請了外部審查委員審查,委員意見都給予很高的肯定,但也強調失敗的風險很大。「但風險越大,回饋也越大,所以他們其實很期待,風險是我在擔心。」林淑端笑著說。

師道無他,以身作則而已

大學畢業後,林淑端曾當過四年初中老師。這段不長不短的歷程,對她後來出國改走學術路線,有莫大的影響。

「我本來就住梧棲,到處都是養鴨的。從鄉下怎麼走到今天,想來也不可思議,非常感恩。」林淑端表示由於父親做生意,使得「家裡很多狀況」,但即使如此,林淑端的母親曾對她說,她這輩子最難過的是自己不識字,因此只要林淑端能念,就不要擔心。跟她只差一歲的姊姊,只唸到小學畢業,便選擇扛起家計,讓林淑端能專心唸書。

「還好我們需要很少,獎學金也夠,我教書四年一毛錢沒拿,薪水紙袋全都交給家裡,在家裡就是睡覺吃飯。」一直到要出國,林淑端才驚覺需要錢。當時她幫一位大學老師做研究,這位老師得知之後,二話不說將郵局存款給她,作為她可以在國外生活的證明。

「總之我沒有富裕過,也沒有缺乏過,也不覺得錢很重要,反正夠用,就這樣走過來了。薪水少或多,從來也沒有在意過,但興趣一直驅動著我,也一直很感恩。

雖然自己一路都是好學生,但林淑端不是典型的老師。當時補習風氣已盛,填鴨式教學成為時代產物,林淑端這位年輕教師反而帶學生跑操場、露營,這讓家長覺得很另類,也有點擔憂。

「我在大安教一年,童軍競賽就得獎,梧棲的校長就拿聘書到我家要聘我回家鄉,後來到梧棲任教才知道,所有老師教職員的孩子都在我的班級。」但是她發現,學生考試補習早班晚班排得滿滿的,壓力大、又被動。身為新來的導師,跟學生只差 10 歲的她就像大姊姊,把學生帶到操場上課、帶去露營,家長質疑「這個老師在搞什麼?」

不過這就是林淑端教學的秘訣。在當時的梧棲鄉下,她用非典型方式帶的班級升學屢破最佳紀錄,她說「我沒有什麼模板,但我知道我要把學生的興趣提起來,刺激他們做到最好。」自己求學過程中遇到很多好老師,當老師後深覺當時教育現況有很多問題,自己一個人無法辦到,然而如果想要影響教育體系,林淑端知道自己得爬得更高,加上她本身就熱愛研究,便決定結束教職與先生一同赴美深造。出國時,學生跟家長包了兩部遊覽車來歡送。「那時候不覺得怎樣,現在想起來才覺得自己就是做什麼就進入狀況。每個人只要找到他的熱情,投入做,就能做得好。

回台灣之後,林淑端建立自己的研究團隊,成員大多是讀過她論文、慕名遠來的外國人。外國人來台灣做研究,從簽證邀請函到落地租房,很多問題都要解決,來了也不像台灣學生,可以不合就走,林淑端對待外國研究者就像對家人一樣,唯有如此才能讓他們在自己的實驗室穩定發展,「雖然收的人不多,但都待很久」,她謙虛地說只有更好的學生,沒有更好的老師,老師可以啟發,但做出成果的是年輕人。她要為社會培育出能找問題跟解問題的博士級人才,這能產生最大影響,也能代代相傳。

她的團隊如家人般互相照料,但工作極具挑戰。每週一對一討論與每月大 Meeting 上,學術問答針鋒相對,有如不見血的拼搏,透過這樣的過程,林淑端認為重點是讓團隊中每個人都感到有幫助,才能落實科學求真的價值。曾經有印度學生一時無法接受而選擇回國,但反思之後,寫信對林淑端說:「我永遠是你的學生,因為我學到太多了。」

學術也是技術,技術就得從觀察中學,包括觀察團隊領導人對事情的投入、熱情、嚴謹、對問題的批判性,對成員的要求。「他每天都看到你,你每天都這樣,他就會學。」林淑端強調,做研究不要害怕,不知道就說不知道,不要假裝好像知道又好像不知道,「其實只有真的不知道,你的理論跟假說才不會亂講。一直那麼多年,我覺得真的就這樣而已。」

再來就是享受過程,「結果不是關鍵,過程才是關鍵」。她說這其實不是苦中作樂,因為思考過程,想到底缺了什麼,就是樂趣本身。

最後,驗證出來的結果要有趣地、有故事性地、有邏輯地說出來。發表是為了激發讀者思考。這些讀者可能是新一代的研究者或是同儕,把文章寫好才能刺激領域發展。

女性需要的是機會

身為 2020 年第十三屆台灣傑出女科學家獎傑出獎得主,林淑端表示 1987-1990 年在史丹佛做博士後時,就發現當上教授的女性很少,而且性別不同還影響薪資。回到台灣後,雖然跟美國比起來,學術工作薪資不高,但不分性別大家都平等,特別在中研院分子生物研究所,女性比例超過 50%,「我們蠻強勢的,而且男性同事都很紳士。」她說。

不過,在中研院處長,院長、副院長等主管中,女性就很稀有了。林淑端在 2007 年負責創建中研院國際處,並擔任國際處長一直到 2016 年,「我很幸運地跟翁啟惠院長同事,他很信任我,知道我對教育很感興趣。」林淑端知道要提高中研院的能量,需要學生加入研究,因此她創建並擔任處長的目標就是要將國際學生制度化,提出跟大學不同的獨特教育價值,也推動中研院能全英文運作。那段時間常跑教育部開會的她,也注意到當時教育部的科長、專員、司長大多是男性,「自然規律,性染色體是 ½,如果女性的資源也 ½ 的話,那社會就會不一樣。」

「我做行政的幾年的確有看到男女差異,但我在教育裡沒有歧視,不會偏好女孩。」林淑端認為提供機會最重要,而若有一些因素系統性地讓女性無法獲得機會,就該改變。例如研究單位必須提供日間幼兒照顧。她也指出,遇到 COVID-19 這樣的情況,若小孩生病,待在家照顧孩子的大多都是媽媽,這或許是女性的天性,但仍須思考這造成的影響。

少子化對學術界的衝擊很大,因此只要有研究熱情的年輕人進入林淑端的團隊,她都希望按照個性予以激發,讓他們成功。當她 2020 年起開始參與吳健雄基金會與台灣萊雅為女高中生舉辦的高中女校科學巡迴活動,就覺得特別振奮與開心。

「到高中去,讓我覺得很有成效,因為許多高中女生在一個非常單純的學校,很多在鄉下,對未來的願景不是很清楚,當我們去的時候可以告訴他這一路的風景,讓她們知道做的事是有用的。」例如林淑端在分享時會將國家生技研究園區的轉譯計畫、基因編輯嬰兒等跟 RNA 相關的新事件融入,讓台下的女高中生知道:「事情不是停在這,在你們的時代不知道會碰到什麼新知,但是你們做出來才會有新知。」只要聽眾中有一個人繼續走,她覺得就很值得。

她想起自己剛回台灣,學界同儕從她身上,往往只看到她老師史丹佛大學醫學院教授 Stanley N. Cohen 的影子,看不到她對研究的貢獻,曾有一段時間很不服氣、孤單、挫折,「但都要走過來,所以我現在才能幫年輕人。」

作育英才」短短四字,林淑端用一輩子來實踐,儘管即將退休,她的腳步與思緒仍舊飛快,吸引更多後進追逐;而當她被超越,也是她最欣喜的時刻。

台灣傑出女科學家獎設立於 2008 年,是台灣第一個專為表彰傑出女科學家、並鼓勵女性參與科學而成立的獎項,由台灣萊雅及吳健雄學術基金會共同主辦。

「創新 RNA 研究、貢獻醫藥基礎科研,並深具教育家精神的林淑端博士 – 第十三屆台灣傑出女科學家獎得主」。影片/台灣萊雅

本文由 台灣萊雅 L’Oréal Taiwan 委託,泛科學企劃執行。

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兵不厭詐,這是戰爭!奈米級的特洛伊木馬屠城記,點燃科學家與癌細胞的戰火
羅夏_96
・2020/12/05 ・2434字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 548 ・八年級

國小高年級科普文,素養閱讀就從今天就開始!!

大家都喜歡禮物,但如果今天這個禮物包藏了致命物質,你還喜歡嗎?就像希臘人送給特洛伊人的木馬一樣,看似是戰利品的禮物,結果卻是包藏禍心的可怕毒藥!

新加坡南洋理工大學替癌症治療開啟一個新方向。圖/Pexels

近期,新加坡的南洋理工大學團隊研發出一種新的抗癌方式。將 L-苯丙胺酸 (L- phenylalanine) 包覆在奈米顆粒上,癌細胞吸收後會使其自行凋亡。雖然這項發現仍在早期研究的階段,但目前在細胞實驗和老鼠實驗,皆有不錯的效果。

癌細胞需要很多、很多的胺基酸

對於快速生長的癌細胞,往往需要吸收大量的胞外必需胺基酸來支持其快速生長,因此不少癌症的表徵之一就是:負責攝取胺基酸的基因1會大量表現

此外,不少研究也都證實,若我們能夠減少癌細胞的胺基酸攝取,就能有效降低其生長速率。因此科學家們相信,嚴格控制癌症病患飲食中的蛋白質含量,並搭配藥物,可能有助於癌症的治療。

此種治療方式不只需嚴格控制病患飲食中的蛋白質含量,也要對病患身體有足夠的了解。圖/Pexels

但這種治療方式需要醫師對病患的身體狀況有良好的了解、監控和支持,且有造成病患營養不良的風險,對於有惡病質 (Cachexia)2 的病患,更是不適合。

因此,如何將癌細胞對於必需胺基酸的大量需求結合到癌症治療中,成為一大難題。

暗藏「毒藥」的胺基酸大禮包

針對這個問題,南洋理工大學的研究團隊設計了一種新的治療方式。將 L-苯丙胺酸這個必需胺基酸包覆在直徑 30 nm 的矽製奈米顆粒上,並將此特製奈米顆粒命名為 Nano-pPAAM 3

該團隊先前的研究顯示,多孔抗癌藥物運輸用矽製奈米顆粒,被細胞吸收後會使細胞內的活性氧物質 (Reactive oxygen species,簡稱 ROS) 大量產生,使其因此產生細胞凋亡 (apoptosis)。

因此順著這個思路,他們設想:「若將癌細胞需要的必需胺基酸包覆住這些矽製奈米顆粒,是否能使癌細胞在吸收後自行凋亡?」就像特洛伊木馬一樣,外表看似是給癌細胞的禮物(必需胺基酸),但裡面卻是包著致命的士兵(奈米顆粒)

被胺基酸包覆的矽製奈米顆粒,就像是暗藏著敵人的特洛伊木馬,讓癌細胞以為是送給它的禮物,卻可能讓它自行凋亡。圖/wikipedia

他們的研究結果指出,比起傳統的抗癌藥物 Cisplatin,Nano-pPAAM 能更專一的殺死乳癌、皮膚癌和大腸癌細胞而不傷害一般細胞。在裸鼠實驗中,Nano-pPAAM 也能明顯地抑制老鼠體內的移植的乳癌細胞的生長。

以前的奈米顆粒,只是毒藥的「司機」

該研究的計畫主持人指出,這個研究的方向和傳統的奈米顆粒研究不同。

傳統的奈米顆粒是用於包裹和運送,將抗癌藥物包裹並運送到腫瘤中再做刺激,使其釋放抗癌藥物到腫瘤中。

在傳統的療法中,奈米顆粒僅僅扮演運輸的角色,本身並無藥效。然而,在這一次的研究中,奈米顆粒不會攜帶任何抗癌藥物,而是使用奈米顆粒本身的性質,直接讓癌細胞產生大量的活性氧物質並讓癌細胞自行凋亡。

在之前的研究中,科學家大多將奈米顆粒當作「毒藥的運輸工具」,而非「毒藥」本身。圖/Pexels

他們在先前的研究無意中發現,特定大小的奈米顆粒送入細胞後,會產生大量的活性氧化物質,他們才因此決定深入研究奈米顆粒的哪些物理參數會導致活性氧化物質在細胞內的生成。

如何從司機變身為致命毒藥?

先前的測試初步顯示這個現象與奈米顆粒的材質有關,同樣大小的奈米顆粒若以銀和鈦合成不會產生活性氧化物質,只有以矽合成才會產生

因此後續的測試他們先建立了大量的矽製奈米顆粒的篩選庫,以奈米顆粒的大小孔洞數還有送入密度為篩選標準,成功找出能使細胞產生大量活性氧化物質的奈米顆粒所具備的大小、孔洞數還有送入密度。

這樣做有什麼好處呢?

以往就算奈米顆粒成功攜帶藥物進入組織中,我們也需要各種化學與物理的刺激,才能讓奈米顆粒釋放出藥物並產生藥效,再加上腫瘤組織附近的微環境相當複雜,使得這類刺激不易發生,讓癌症治療面臨嚴峻的難關。

以往奈米顆粒攜帶藥物的療法中,因為難以刺激奈米顆粒釋放出藥物,因此增加了治療癌症的難度。圖/Pixabay

不過,本研究中的 Nano-pPAAM 完全不需要額外攜帶藥物,因此在對抗癌細胞的過程中,我們就能免去藥物運送和代謝的困擾,為未來癌症治療提供一個新的方向。

接下來,研究團隊將往「專一性」的方向做研發,使其能精確地攻擊特定種類的腫瘤,同時提高其殺死癌細胞的能力。或許,未來 Nano-pPAAM 能結合更多治療方式,如近來火熱的免疫療法,讓我們在對抗癌症的道路上尋找更多的可能與希望。

註解

  1. 此基因爲 LAT1 (The L-Type Acid Transporter)
  2. 惡病質 (Cachexia) 是癌症病患因體內賀爾蒙代謝與新陳代謝異常,或因食物攝取量減少所產生的營養不良症狀。
  3. 此特製奈米顆粒的全名為:Nanoscopic phenylalanine Porous Amino Acid Mimic。

參考資料

  1. Wu, Z., Lim, H. K., Tan, S. J., Gautam, A., Hou, H. W., Ng, K. W., … & Tay, C. Y. (2020). Potent‐By‐Design: Amino Acids Mimicking Porous Nanotherapeutics with Intrinsic Anticancer Targeting Properties. Small16(34), 2003757.
  2. NTU Singapore scientists devise ‘Trojan horse’ approach to kill cancer cells without using drugs 
  3. Nanoparticle Density: A Critical Biophysical Regulator of Endothelial Permeability
羅夏_96
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同樣的墨跡,每個人都看到不同的意象,也都呈現不同心理狀態。人生也是如此,沒有一人會體驗和看到一樣的事物。因此分享我認為有趣、有價值的科學文章也許能給他人新的靈感和體悟