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兩根漿糊棒打平

timd_huang
・2011/08/29 ・4723字 ・閱讀時間約 9 分鐘 ・SR值 468 ・五年級

「兩根漿糊棒打平」,文字遊戲啦!正確的斷詞是「兩根漿糊棒(Glue Stick)」「打平」,完整的作文題目是:「兩根漿糊棒打(精密XY)平面控制」。

對於有「滴唉歪(DIY, Do It Yourself)」習性的玩石頭者我來說,前幾篇貼文已經漏餡指出我手常癢的老毛病,總是喜歡自己動手做點東西,十根手指頭就是無時得定安靜下來,老是東摸摸西敲敲;這ㄧ篇又要來野人獻曝,看來真的是有點太沉迷,無法自拔了!不過,又是窮光蛋又想搞一點自己喜歡的研究,對於手頭上那些微小的世界最古老恐龍胚胎死骨頭,和那些可能改寫達爾文進化假說的埃迪卡拉紀巨型實體化石,總需要用到顯微攝影,以今日情況來說,最先進的數位顯微攝影,基本上在上次的文章(〈不用一條腿一隻手代價的顯微攝影 Microphotography without costing an arm and leg〉) 已經解決了,這ㄧ篇來介紹拍攝數位顯微照片過程中所碰到的一個很大困擾與解決方案。

以目前樣本通常大小在一公分以下的情況來說,所希望的顯微照相放大倍率,當然是能放得越大越能看得清楚,可是,有些樣本的本身,在較低的倍率下,可以把整個樣本切面全部照出來,但細節就不是那麼明顯清楚,可是,如果把倍率提高了,每張照片卻只能拍到化石的一部份,所以,為了兩全其美,就需要連續拍攝幾張,每一張稍微往旁邊(或上下)移動一些,最後在電腦上把相片縫合(Stitch)起來,剛好以前買數位相機,有附贈如此的軟體,讓我把這些照片合併成整張高倍率的放大結果。

這是一條可行的解決方案,但是,每次把物件縱或橫移動一點點,拍照片的時候,還要保留部份的重疊,軟體才有辦法縫合得好,實際操作時,用手微量同方向移動要控制得精準,真的很困難,特別是倍率很大的時候,稍微動一下,就不知道跑到那裡去了,為了能縫合得好,整套照片往往要重新拍照好幾次;而且,即便把化石整個縫合好了,最後整張相片會出現一些空白的地方如下照片,真是惱人。

手控微調重疊拍攝多張照片,縫合後會有這種階梯狀的糗態。

這時候想起來,以前在學校用顯微鏡的時候,在載物平台上有個附件,可以很精密細微地移動載玻片,往橫(X)向或縱(Y)向,只要轉一轉旁邊的調整鈕就可以,真好用;可是啊!一想到精密的光學顯微鏡,「精密」兩個字的意思,也內含著「非常昂貴」的事實,即便小小一個配件,往往就是「砍下一隻手一條腿去賣」的代價,舉個真實的例子來說,約廿年前,買了一個可接視訊的立體礦物顯微鏡,光是那根銜接視訊和顯微鏡構造很簡單的黑色金屬管,說不好聽一點,只是一根黑色爛水管而已,要價就要新台幣八千孫中山!怪怪,如前文所介紹,如今自己做個數位顯微鏡,只要幾百塊錢,即便上網買人家做好現成的「數位顯微鏡(Digital Microscope)」,也只不過一兩千,廿年前的八千元,相當於今天幾十個千啊?夭壽啊!

俗語說,窮則變,變則通,又說,需求是創造發明之母,艱難的困境,才是激發創意的最佳機會,我這糟老頭,從小被貼上「台灣黑五類」,已經輸在起跑點,沒有顯赫的家世,更沒有存摺上多一個零少一個零無所謂的金主親戚朋友,在另一方面,死也不死,就剛好被我發現了兩項重大的化石:(一)世界最古老的恐龍胚胎,也是世界上最古老陸生動物的胚胎化石,和(二)大約六億年前的埃迪卡拉紀巨型實體化石,前者對於瞭解統治地球長達一億六千萬年的恐龍時代,具有絕對關鍵的重要性,我戲稱之為「恐龍界的『原子彈(蛋)』」,而後者的重要性,比起前者更重要一個量子跳躍(Quantum Jump)階層,這些埃迪卡拉紀的化石,正是我們地球最古老、也是最早的多細胞生物,畢竟地球上的所有生物,包括我們人類,都是從這些多細胞生物演化而來的,我們中國人一向不忘本,更不能數典忘祖,這些化石,才真是我們的「本」與「祖」啊!可惜,在我發現這些實體化石(Body Fossil)之前,世界各地廿多處所發現的埃迪卡拉紀化石,都只是泥沙填充灌注的鑄模(Cast/Imprint),並非當時生物實體所變成的化石,所以無法「深入」地從內部研究,只能很「膚淺」地從外表玩玩,我所發現的這些實體化石,將改變這一個窘況,讓學者們能切入這些生物的內裡,探究其詳,因此,雖然只是一些爛石頭,卻是「氫彈」級的重大重要發現!我就夾在又老、又窮、又不能不做的困境中。

所以啊!這些日子腦子裡面一直不停地打轉,如何自己以最便宜、家裡現有的材料,做出一個可用的數位顯微攝影用的平面調整器,好幾個晚上睡到一半,午夜夢回突然驚醒,趕快下到書房畫啊畫的,…,如此折騰,不知幾許,一直都找不出一個簡單可行自己動手做的方法來,最主要的是卡在「直線微調」的關鍵上。

直到前兩天,剛好要貼一點東西,拿起桌上的漿糊棒,打開蓋子,旋轉出漿糊,ㄟˊ,答案不就在手中?這種新台幣一根十多塊錢的漿糊棒,我所要的基本功能都有了,轉動它一端的轉鈕,管內的漿糊就往前推出一點,那不就是我所想要的,夭壽啊!就這麼簡單,前兩天還在那裡想請人車螺絲,或又想用滑輪等等,完全都不必了。

哈!趕快找來兩根還沒用的漿糊棒,把漿糊全部扭轉出來,空殼子洗一洗,量一量在邊緣縱向靠出口那個位置挖開一條大約三公分長半公分寬的空格出來,又在裡面推漿糊的那個塑膠盤側邊,鑽一個洞,鎖上螺絲,扭一扭底端的旋轉鈕,嘿,這個螺絲就直線移動一些,大功告成!至少理論上行得通,而且可以說基本不用花錢!剩下來的,就是再做一個,然後把這兩個垂直安裝起來,一個調整橫向,另一個調整縱向,在這大約3×3=9平方公分的XY平面上,我都可以精準地微調出來了!

滴唉歪的精密平面微調器使用情況,中央上方是現成的數位顯微鏡,裝在翻拍台上,右下方是漿糊棒。

傳說中說,當阿基米德泡澡的時候,澡盆的水滿溢出來,靈光乍現,讓他解決了長時間困擾他、國王金塊是否為純金的問題時,他大聲地喊出:「尤力卡(Eureka)!」,從此這個名詞,變成了電光石火剎那間發現之極度快樂的代名詞;如假包換在下小小的我,這個微不足道、小到不能再小的創作,當然不能和人家阿基米德比較,可是,稍微分享到他的樂趣,自己往自己的臉上貼金,人生夠本啦!

好了,既然是如此微小的「偉大」創作,使用的成果如何呢?閒話少說,下面有照片為證。

由五張透過我滴唉歪用兩根漿糊棒做成的平面移動控制拍攝照片縫合成果

再來看一張,這張和上面那張,都是埃迪卡拉紀實體化石黃楊清蓮體的兩個垂直切面的縫合照片,放大倍率為40X;眼尖的讀者,可能一下子就會看出來,上圖最右邊的那條邊線,就是下圖最左邊的邊線;從這兩張照片,可以從兩個角度看清楚黃楊清蓮體的內部構造;從這兩張,可以看到邊緣和二級管(照片上水平凹下處)都比較大,而在其間,微細的四級管,相互連接成往上凸的弧線。

有關於黃楊清蓮體的內部構造,特別是大小管狀所形成的網絡,經過這些數位顯微切片照片的觀察,我終於把以前所畫的,做了一個重大的修改,過去認為最微細的四級管,平行於主軸管,但現在修正為與二級管方向略同,如最後的圖示。

說真的,我這個小道具,在大多數人眼中,其實只是一根雞毛而已,沒啥值得啥ㄏㄧㄠˇㄅㄞ˙的,不過,我要多說兩句,因為這裡面有個大道理。

回到1975年我在美國俄亥俄州立大學唸博士班的時候,有一門必修的課,說出來,很多人難以相信,卻是事實,院方規定我們所有的博士生都要修習,這個課程叫「玻璃工」,哇塞,博士生學習吹玻璃做玩具?我們是來學習正經八百大學問的,怎麼叫我們搞這種雕蟲小技玩藝,老師們腦筋有沒有秀豆搞錯了?幾個同學都議論紛紛。

所以我就特別問教授這其中的道理,他說啊:

「沒錯,你們都是高階的研究生,專業於研究『偉大的』科學項目,但是,永遠不可忘記,科學的進步,絕對要依賴『你們所認為低階的』技術,科學與技術兩者相輔相成,科學上的理論研究,促成技術的進步,技術的進步,又回過頭來幫助科學的進展,人類的歷史就是最好的證明;為什麼學校要你們修這門課程呢?你們整天在實驗室用各種玻璃器皿進行各種化學實驗,這些玻璃器皿那裡來的?庫房領來的,庫房又是向廠商買來的,不是嗎?不過,如果有一天,你們所要的器皿庫房沒有或缺貨,也就是說,沒有現成廠商做好的,你的實驗又剛好急著需要用到,怎麼辦?你可以把你要的器皿樣式畫圖畫出來,交給庫房去向廠商訂製,你知道這要多久嗎?至少半年,而且價格很貴,因為人家要特別為你製作,價格雖然你們不必擔心,但是時效上你受得了嗎?再者,廠商不像你那麼知道到底你所要的是什麼樣子,可能半年後第一次做出來的,你發現不是那麼適用,需要修正,這下子,你又要等半年,如此反覆,你的實驗還做不做?因此,這門課程的重要性就在這裡,你們學會了玻璃工,整個世界又是只有你自己最知道你所要的是什麼樣子的玻璃器皿,你自己就動手做出你所要的吧!便宜又快又好用,不要忘記,所謂的科學進步,也包括自己研發製作相關的工具。」

後來也知道,我們藥學院,除了玻璃工的工作間之外,還有一個機械車間,裡面有各種機械工具,車床、鑽床、銑床、…等等,想要製作任何的金工所需要的機械設備,大概都齊全了,我們研究生隨時可去用,不要忘記,這是藥學院,而不是機械工程系,花這麼多錢購置這些「不相關」設備,不會沒有道理的。

教授講的真有道理,人家科技會如此進步,就是這個道理--你需要什麼儀器設備,除了買現成的之外,你自己想辦法製作;反觀我們老中的學界,或許傳統的觀念(技術只是被鄙視的雕蟲小技)束縛害了我們,並沒有鼓勵與提供研究者自己動手做的環境,科研所需要的儀器設備器材,都是用買來現成的。

說到這裡,順便提一下也是有點關係的事情;在我快唸完波特蘭州立大學碩士班的時候,我開始申請博士班,有一天收到俄亥俄州立大學給我全額獎學金去唸博士班,當然非常高興,馬上回信接受,隔天早上把回信寄出之後,晚上從實驗室回到宿舍,突然接到一個電話,是我同時申請伊利諾州大學系主任的來電,他說他們決定給我六年的博士雙學位獎學金,希望我能去他學校,特別先打電話通知我;接到這個電話,真是受寵若驚,那邊和美國西海岸有三個小時的時差,我晚上才接到這通電話,那邊已快深夜,系老闆還加班親自打電話,真令人感動啊!我在電話中問他,一般的博士班,通常只要四年,為何他們的要六年,他解釋說,其實他們這個課程很獨特,歸屬於醫學體系,但他們博士班不收醫學院的學生,只收其它理工科的碩士,六年的課程之後,學生同時拿兩個博士學位,一個是醫學博士,另外一個是該學生原本的主科博士學位,以我來說,化學和醫學雙博士學位。

為什麼要如此?他說,就從醫生看病做研究的角度來說,經常會碰到一些情況,比方說,現代的各種看診電子檢驗儀器,對於某個個案來說,可能欠缺了某項功能,或者不是那麼貼切好用,又如某個病人對於某種藥,不是那麼恰當,一般接受純種醫學訓練的醫生,碰到這些情況,只能求助於儀器廠商或藥廠,在時效和功能上,都要打很大的折扣,所以他們不收醫學院畢業的博士生,但是,他們培養出來的醫師,本身就有足夠的電子或化學(或其它理工科)訓練,他自己馬上就可以做個小電路板,或進行某化學結構修改量身訂製藥效,讓醫學能更加進步,這就是他們跨領域的教育目標。

雖然後來我沒到伊利諾大學去(誰叫他的電話晚了一天),但是這輩子一直很認同這個觀念--科學與技術,兩者相輔相成,不可偏廢,技術絕對不是傳統老中思想所認為「讀書人不為也」的「雕蟲小技」,那些(狗屁)治世經國大道理固然重要,雕蟲小技更不可忽略。阿門!

本文原發表於「催眠恐龍」部落格[2011-02-20]

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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。

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