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一組新「積木」簡化複雜分子的合成

only-perception
・2011/08/28 ・1154字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 600 ・九年級

「組裝」化學物質可以像拼拼圖一樣。Illinois 大學化學家已開發出一種組裝方法,從一種強大且有希望的抗氧化劑起頭,能更有效率地建立複雜的分子。

由化學教授 Martin Burke 所領導,該團隊將其研究發表在 Angewandte Chemie 期刊上,並成為該期封面報導。

Burke 的小組因開發出一種合成技術,稱為 iterative cross-coupling (ICC,疊代交錯耦合)而聞名,該技術利用簡單、穩定的化學「積木(building blocks)」以一種反覆反應的方式有序地結合。有超過 75 種以上的「積木」可在市面上買到,製藥公司與其他實驗室利用 ICC 創造出複雜的小分子,那可能具醫療性質。

「那有預先安裝好的官能度(functionality)與立體化學(stereochemistry)故每樣東西都已在「積木」中設置好,而你所要做的是將它們耦合在一起,」研究生,也是本研究的第一作者 Seiko Fujii 表示。

此外,ICC 受限於只能有某一種極性的分子。現在,該小組開發出反極性 ICC(reverse-polarity ICC),那允許化學家優化 ICC 製程以符合目標分子的電子結構。極性上的相反使得全新類型的「積木」成為可能,故研究者能更有效率地合成分子,甚至建構出標準 ICC 製造不出來的分子。

例如,在論文中,該小組使用這種新方法來製造 synechoxanthin(發音為 sin-ecko-ZAN-thin,一種芳香族類胡蘿蔔素),這種分子首度於 2008 年從細菌中分離出來,有很大的希望能成為一種抗氧化劑。研究指出,synechoxanthin 能使製造它的細菌在高度氧化的環境中活命、茁壯生長。

「我們是經歷過許多氧化壓力的人,而且那真的對人體健康有害,」Burke 說,他亦在 Howard Hughes 醫學研究所任職。「那會導致如癌症、動脈粥狀硬化以及神經退化性失調這樣的疾病。證據強烈指出, synechoxanthin 是細菌對此問題之解決方案的主要部份。我們對於問這個問題感到很興奮:我們能從細菌身上學到什麼?那也能夠保護人類細胞嗎?」

關於 synechoxanthin 活性的研究,受限於從細菌培養中萃取出這種分子的困難度。Burke 的小組只用三種可輕易獲得、高度穩定且無毒的「積木」即成功將之合成。由於 ICC 的便利性,他們能製造相對大量的 synechoxanthin 以供研究,此外也能產製衍生物與天然物(natural product)進行比較試驗。

“因為這種「積木式」的設計天生就具有彈性,一旦我們製造出天然物,我們就能製造任何衍生物,我們想簡化到只要把其中一個「積木」換成不同的,然 後使用反極性 ICC 使它們吸(snap)在一起,” Burke 說。”這就是合成威力如此強大之處。在一般情況下,最乾淨的實驗將需要一種除非你將它拼湊出來,否則不會存在的分子。”

研究者也能夠使用被「標記」螢光或放射性染料的積木,使其分子以及活性更易研究。例如,Fujii 下個計畫是合成 synechoxanthin 以其具有標籤的無極性衍生物,讓 NMR 成像能夠揭露其在細胞膜內的位置與定向,也許還能提供其活性的線索。

「在我們把所有的分子弄到手之後,我們對於能夠在模型細胞膜中測試它們的抗氧化活性真的感到很振奮,」 Fujii 說。

資料來源:PHYSORG.com: A new set of building blocks for simple synthesis of complex molecules [August 23, 2011]

原發表於 Only Perception

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only-perception
153 篇文章 ・ 1 位粉絲
妳/你好,我是來自火星的火星人,畢業於火星人理工大學(不是地球上的 MIT,請勿混淆 :p),名字裡有條魚,雖然跟魚一點關係也沒有,不過沒有關係,反正妳/你只要知道我不是地球人就行了... :D


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揭開人體的基因密碼!——「基因定序」是實現精準醫療的關鍵工具

科技魅癮_96
・2021/11/16 ・1998字 ・閱讀時間約 4 分鐘

為什麼有些人吃不胖,有些人沒抽菸卻得肺癌,有些人只是吃個感冒藥就全身皮膚紅腫發癢?這一切都跟我們的基因有關!無論是想探究生命的起源、物種間的差異,乃至於罹患疾病、用藥的風險,都必須從了解基因密碼著手,而揭開基因密碼的關鍵工具就是「基因定序」技術。

揭開基因密碼的關鍵工具就是「基因定序」技術。圖/科技魅癮提供

基因定序對人類生命健康的意義

在歷史上,DNA 解碼從 1953 年的華生(James Watson)與克里克(Francis Crick)兩位科學家確立 DNA 的雙螺旋結構,闡述 DNA 是以 4 個鹼基(A、T、C、G)的配對方式來傳遞遺傳訊息,並逐步發展出許多新的研究工具;1990 年,美國政府推動人類基因體計畫,接著英國、日本、法國、德國、中國、印度等陸續加入,到了 2003 年,人體基因體密碼全數解碼完成,不僅是人類探索生命的重大里程碑,也成為推動醫學、生命科學領域大躍進的關鍵。原本這項計畫預計在 2005 年才能完成,卻因為基因定序技術的突飛猛進,使得科學家得以提前完成這項壯舉。

提到基因定序技術的發展,早期科學家只能測量 DNA 跟 RNA 的結構單位,但無法排序;直到 1977 年,科學家桑格(Frederick Sanger)發明了第一代的基因定序技術,以生物化學的方式,讓 DNA 形成不同長度的片段,以判讀測量物的基因序列,成為日後定序技術的基礎。為了因應更快速、資料量更大的基因定序需求,出現了次世代定序技術(NGS),將 DNA 打成碎片,並擴增碎片到可偵測的濃度,再透過電腦大量讀取資料並拼裝序列。不僅更快速,且成本更低,讓科學家得以在短時間內讀取數百萬個鹼基對,解碼許多物種的基因序列、追蹤病毒的變化行蹤,也能用於疾病的檢測、預防及個人化醫療等等。

在疾病檢測方面,儘管目前 NGS 並不能找出全部遺傳性疾病的原因,但對於改善個體健康仍有積極的意義,例如:若透過基因檢測,得知將來罹患糖尿病機率比別人高,就可以透過健康諮詢,改變飲食習慣、生活型態等,降低發病機率。又如癌症基因檢測,可分為遺傳性的癌症檢測及癌症組織檢測:前者可偵測是否有單一基因的變異,導致罹癌風險增加;後者則針對是否有藥物易感性的基因變異,做為臨床用藥的參考,也是目前精準醫療的重要應用項目之一。再者,基因檢測後續的生物資訊分析,包含基因序列的註解、變異位點的篩選及人工智慧評估變異點與疾病之間的關聯性等,對臨床醫療工作都有極大的助益。

基因定序有助於精準醫療的實現。圖/科技魅癮提供

建立屬於臺灣華人的基因庫

每個人的基因背景都不同,而不同族群之間更存在著基因差異,使得歐美國家基因庫的資料,幾乎不能直接應用於亞洲人身上,這也是我國自 2012 年發起「臺灣人體生物資料庫」(Taiwan biobank),希望建立臺灣人乃至亞洲人的基因資料庫的主因。而 2018 年起,中央研究院與全臺各大醫院共同發起的「臺灣精準醫療計畫」(TPMI),希望建立臺灣華人專屬的基因數據庫,促進臺灣民眾常見疾病的研究,並開發專屬華人的基因型鑑定晶片,促進我國精準醫療及生醫產業的發展。

目前招募了 20 萬名臺灣人,這些民眾在入組時沒有被診斷為癌症患者,超過 99% 是來自中國不同省分的漢族移民人口,其中少數是臺灣原住民。這是東亞血統個體最大且可公開獲得的遺傳數據庫,其中,漢族的全部遺傳變異中,有 21.2% 的人攜帶遺傳疾病的隱性基因;3.1% 的人有癌症易感基因,比一般人罹癌風險更高;87.3% 的人有藥物過敏的基因標誌。這些訊息對臨床診斷與治療都相當具實用性,例如:若患者具有某些藥物不良反應的特殊基因型,醫生在開藥時就能使用替代藥物,避免病人服藥後產生嚴重的不良反應。

基因時代大挑戰:個資保護與遺傳諮詢

雖然高科技與大數據分析的應用在生醫領域相當熱門,但有醫師對於研究結果能否運用在臨床上,存在著道德倫理的考量,例如:研究用途的資料是否能放在病歷中?個人資料是否受到法規保護?而且技術上各醫院之間的資料如何串流?這些都需要資通訊科技(ICT)產業的協助,而醫師本身相關知識的訓練也需與時俱進。對醫院端而言,建議患者做基因檢測是因為出現症狀,希望找到原因,但是如何解釋以及病歷上如何註解,則是另一項重要議題。

從人性觀點來看,在技術更迭演進的同時,對於受測者及其家人的心理支持及社會資源是否相應產生?回到了解病因的初衷,在知道自己體內可能有遺傳疾病的基因變異時,家庭成員之間的情感衝擊如何解決、是否有對應的治療方式等,都是值得深思的議題,也是目前遺傳諮詢門診中會詳細解說的部分。科技的初衷是為了讓人類的生活變得更好,因此,基因檢測如何搭配專業的遺傳諮詢系統,以及法規如何在科學發展與個資保護之間取得平衡,將是下一個基因時代的挑戰。

更多內容,請見「科技魅癮」:https://charmingscitech.pse.is/3q66cw

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科技魅癮_96
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《科技魅癮》的前身為1973年初登場的《科學發展》月刊,每期都精選1個國際關注的科技議題,邀請1位國內資深學者擔任客座編輯,並訪談多位來自相關領域的科研菁英,探討該領域在臺灣及全球的研發現況及未來發展,盼可藉此增進國內研發能量。 擋不住的魅力,戒不了的讀癮,盡在《科技魅癮》