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為何咖啡要合成咖啡因?讓咖啡的基因體告訴你

葉綠舒
・2014/10/04 ・1156字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 495 ・六年級

我們每天喝掉22.5億杯咖啡,算起來大約3-4個人一天喝掉一杯;這麼多人喝咖啡,種植咖啡的面積自然不會太小。全球種植咖啡的面積有1100萬公畝。

最近,咖啡的基因體已經定序完成了。雖然用來定序的不是阿拉比卡咖啡(Coffea arabica,有44條染色體),而是Coffea canephoraC. canephora,22條染色體,又稱為C. robusta,約佔世界咖啡總產量的30%);不過阿拉比卡咖啡是C. canephoraC. eugenioides的雜交種。

C. canephora的花。圖片來源:wiki
C. canephora的花。圖片來源:wiki

C. canephora咖啡的基因體由22條染色體構成,總大小是710 Mb(Megabase)。710 Mb有多大呢?想像整個咖啡的基因體印出來在我們面前,我們以一秒一字的速度來念,要念22年又6個多月才念得完。分析的結果咖啡總共有25,574個產生蛋白質的基因,92個產生microRNA的基因。另外,整個基因體大約有一半是轉位子(transposable element)。

咖啡的基因體中,較特別的部分是,與抗病相關的基因(R基因)在演化上出現了串聯重複(tandem duplication)的現象;而合成酚醛類次級化合物(phenylpropanoids)的基因也變多了。這些基因包括合成類黃酮(isoflavone and flavnoids)的酵素、合成生物鹼(alkaloids)的酵素、合成單萜(monoterpene)的酵素、以及合成咖啡因(caffeine)的酵素等。

有沒有想過咖啡為何要合成咖啡因呢?其實咖啡合成咖啡因,主要是為了抗蟲(在葉片)以及抑制其他植物的種子發芽。居住在衣索比亞的人類,無意中發現了它有提神的效果,便開始採取它的果實。

C. canephora的果實,完全成熟的果實是鮮紅色的。 圖片來源:wiki
C. canephora的果實,完全成熟的果實是鮮紅色的。圖片來源:wiki

生產咖啡因,對於咖啡的生存競爭能力顯然很重要。在基因體中,研究團隊看到有一個由23個基因構成的群集;與其他兩種會生產咖啡因的植物(茶 Camellia sinensis、可可 cacaoTheobroma cacao)有明顯的不同。

雖然許多植物在演化過程中,都出現了產生多倍體的現象(如小麥、玉米、甘藍菜、蕃茄等),但是咖啡並沒有出現多倍體,而只是選擇性的以串聯重複的方式,將部分的基因擴張,來提昇自己的競爭力。

筆者每每看到這些證據都會想:我們把植物用來趕蟲的「毒素」當作寶來吸(如香菸)、喝(如咖啡、茶),植物有知,一定會啞然失笑。當然,一個物質是藥或是毒,往往只是劑量的差別,最近也常常看到研究報告提到一天一杯咖啡是比較適當的?酗咖啡如筆者,近年來為了心臟跟神經的健康,也早已控制在一天一杯(之前最嚴重的時候是一天四杯),任何事物都是盡量控制在「中道」,比較適當,不是嗎?

參考文獻:

  1. Victor A. Albert, Patrick Wincker, Philippe Lashermes,et. al., 2014. The coffee genome provides insight into the convergent evolution of caffeine biosynthesis. Science. 345(6201); 1181-1184(因作者繁多,僅列出通信作者)
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葉綠舒
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做人一定要讀書(主動學習),將來才會有出息。

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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

國民法官生存指南:用足夠的智識面對法庭裡的一切。

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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鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
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渴望探索未知、擁有更好的生活,都是因為我們體內有「冒險基因」!——《欲望分子多巴胺》
臉譜出版_96
・2023/02/05 ・1911字 ・閱讀時間約 3 分鐘

現代人大約是二十萬年前在非洲演化出來,然後在十萬年前左右開始擴散到全世界。基因證據顯示,我們在剛演化出來時曾經遭遇過一場未知的重大事件,絕大部分的人類都在這場事件中死亡,因此現今全世界人類的血脈,都可以追溯到同一群為數不多的祖先。也因為這樣,和黑猩猩或大猩猩相比,人類整體的基因多樣性小了很多。

事實上,經過那場大災難後,人類的數量只剩下不到兩萬人;如果當初沒有離開非洲的話,人類很可能會就此滅絕,因此這場大遷徙對人類的存亡至關重要。

我們可以從這段近乎滅絕的過去,理解到遷徙的重要性。如果物種一直集中在某個小地方,就有可能因為一場乾旱、瘟疫或是其他意想不到的災難,徹底從世界上消失;而散布到不同的地區就像是買保險,就算一個族群被消滅,也不會整個物種消失。

人類遷徙路徑(紅色箭頭)。圖/維基百科

根據現代人遺傳標誌的出現頻率,科學家估計早期人類大約是在七萬五千年前遷徙至亞洲,然後在四萬六千年前抵達澳洲,至於進入歐洲又要再經過三千年。移入北美則是非常近期的事件,大約發生在三萬到一萬四千年前之間。

如今,人類幾乎占據了地球上的每一個角落,但我們這麼做並不是因為害怕滅絕的風險。

冒險基因

實驗發現,餵食多巴胺藥物的老鼠會出現更多探索行為。這些老鼠會更常在籠子各處打轉,也會更積極進入不熟悉的環境。那麼,早期人類會不會也是因為多巴胺的影響,才離開非洲向全球進發呢?為了找出答案,加州大學的科學家們彙整了十二份基因研究的資料,比較多巴胺基因在世界各地的出現頻率。

他們把重點放在編碼 D4 多巴胺受體(DRD4)的基因。

不知道各位是否還記得,多巴胺受體是一種蛋白質分子,會附著在腦細胞外面,等待多巴胺分子經過並捕捉這些物質;當受體捕捉到多巴胺,就會在細胞內引發一連串化學反應,改變細胞的行為。

前面討論尋求新鮮感和政治意識形態的關聯時,就有提到這個基因,也說過基因會有不同變化型,稱做等位基因;等位基因代表著基因編碼中的微小差異,正是這些差異賦予了人們各種不同的性格。

擁有較長DRD4 基因的人會更願意冒險!圖/GIPHY

較長的 DRD4 基因,比如 7R 等位基因,會讓人更願意冒險。這些人耐不住無聊,會更積極追尋新體驗;他們是冒險家,喜歡探索新地方、新想法、新食物、新藥物。當然,他們也不會放過做愛的機會。全世界每五個人裡就有一個擁有 7R 等位基因,但不同地區比例差異很大。

多巴胺愈高,走得愈遠

研究人員採用的基因資料涵蓋了北美、南美、東亞、東南亞、非洲和歐洲等史前人類最主要的遷徙路徑。分析結果清楚顯示,分布愈靠近遷徙起點的族群,就愈少人擁有較長的 DRD4 等位基因;距離起源地愈遠,這些等位基因就愈普遍。

其中一條遷徙路徑從東非開始,經東亞穿越白令海峽,抵達北美洲後又繼續往南美洲前進。這是人類最長的遷徙路徑之一,而研究人員也發現,在走到終點的南美洲原住民裡,擁有長多巴胺等位基因的人,比例竟高達百分之六十九,位居全路徑之冠。而遷徙距離較短、選擇在北美洲定居的族群中,只有百分之三十二的人擁有這類等位基因;中美洲原住民則介於兩者之間,這類人占了百分之四十二。平均來說,每遷徙大約一千六百公里,擁有長等位基因的人口就會增加百分之四點三。

在多巴胺的影響下,人們會離開既有的社群,前往探索未知世界。圖/Envato Elements

確定 7R 等位基因和族群的遷徙有關後,下一個問題就是為什麼會這樣。這些基因為何會在長途遷徙的族群裡這麼普遍?最明顯的答案是因為多巴胺會讓人不知滿足、坐立難安,並想要得到更多。

在多巴胺的影響下,人們會渴望更好的生活。正是這樣的人才會離開既有的社群,前去探索未知的世界。

——本文摘自《欲望分子多巴胺:帶來墮落與貪婪、同時激發創意和衝動的賀爾蒙,如何支配人類的情緒、行為及命運》,2023 年 1 月,臉譜出版,未經同意請勿轉載。

臉譜出版_96
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臉譜出版有著多種樣貌—商業。文學。人文。科普。藝術。生活。希望每個人都能找到他要的書,每本書都能找到讀它的人,讀書可以僅是一種樂趣,甚或一個最尋常的生活習慣。

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鑑識故事系列:卡西酮類毒品,在跨年之後⋯⋯
胡中行_96
・2022/12/26 ・2115字 ・閱讀時間約 4 分鐘

國民法官生存指南:用足夠的智識面對法庭裡的一切。

歐洲難得暖冬,[1]卻無減她心中寒意。短效及長效的止痛劑嗎啡(morphine)、抗精神病藥物氟哌啶醇(haloperidol),還有抗憂鬱劑阿米曲替林(amitriptyline)等藥品,[註]全在屋裡唾手可得。2014 年,憂鬱、酗酒,自殺未遂。到了跨年夜,情緒仍深陷泥沼。29 歲的波蘭女子與伴侶爭執後,憤而離家。2015 元旦凌晨 00:30,她渾身酒氣歸來,坐下,從口袋取出一包白粉。食用 2 茶匙,然後起身去泡澡。[2]

不久,浴室傳來呼救聲。[2]

葉門男子咀嚼巧茶葉片。圖/Ferdinand Reus on Wikimedia Commons(CC BY-SA 2.0)

卡西酮類毒品

東非與阿拉伯半島東北,有咀嚼巧茶(khat,學名Catha edulis)葉片的傳統文化。巧茶中的生物鹼卡西酮(cathinone),因其化學結構的雷同,被視為「天然安非他命」。人工合成的醫療用卡西酮類藥物,在 20 世紀初問世;但直到 2000 年前後,成為娛樂性用藥,才廣受關注。相關產品以白色或有色粉末的形式流通,調和多種卡西酮類成份與其他物質,好比咖啡因(caffeine),以及麻醉劑利多卡因(lidocaine或lignocaine)和苯唑卡因(benzocaine)等。[3]

這些商品被冠上「浴鹽」(bath salts)、「喵喵」(Meow Meow)、「植物營養劑」(plant nutrients)、「研究用化學品」(research chemicals)、「水蛭剋星」(conquerors of leeches)、「行車平安符」(driver’s charms)、「細沙添加物」(additives to sand)和「洗屁噴頭」(bidet refreshers,見下方影片及配圖)等光怪陸離的外文名號,[3, 4]臺灣也使用最前面兩個的中文翻譯。[5]

「bidet refresher」或許原指 01:43 那個「Hygiene Refresher – Personal Bidet」之類的東西。影/DormCoVideo on YouTube
歐洲廁所裡,長得像無蓋馬桶,用來盥洗的「bidet」。圖/amanda kelso on Flickr(CC BY-ND 2.0)

人工合成的卡西酮類毒品,能輕易穿過血腦屏障(blood-brain barrier),影響中樞神經系統。依照它們抑制多巴胺(dopamine)、正腎上腺素(noradrenaline)和血清素(serotonin)再吸收;還有釋放這些化合物的能力,可分為三大類:[3]

  1. 古柯鹼 MDMA 混合卡西酮(cocaine-MDMA-mixed cathinone):顧名思義其作用機制,與古柯鹼以及MDMA相似,包括mephedrone(俗稱「喵喵」[5])、methylone、ethylone、butylone和naphyrone。[3]
  2. 類甲基安非他命卡西酮(methamphetamine-like cathinones):猶如甲基安非他命的卡西酮類毒品,像是methcathinone、flephedrone與 clephedrone。[3]
  3. 焦二異丁基酮-卡西酮(pyrovalerone-cathinones):神似焦二異丁基酮的類型,例如:MDPV(俗稱「浴鹽」[5])和 MDPBP。[3]

卡西酮類毒品的效果,因使用者的年紀、性別、健康狀況、用藥習慣以及物質濫用情形而異。不過,大致上都會令人開放外向,極致欣快,並且自信、性慾與同理心暴增。同時,其副作用的效力有過之,而無不及:頭疼、暈眩、盜汗、嘔吐、失憶、恐慌、幻覺、憂鬱、自殺念頭,還有貧血、心跳過速、心律不整、血壓升高、低血鈉症、體溫過高、肌肉顫抖,以及橫紋肌溶解等。[3]

2015 年波蘭的新年裝置「我⏰華沙」。圖/Thomas Quine on Flickr(CC BY 2.0)

元旦凌晨的急救

倚仗血液中巨量的酒精加持,卡西酮類毒品於波蘭女子的體內恣意發揮。其伴侶聽聞呼救聲,衝進浴室。女子抱怨感覺不到雙腿,無法行走;然後只見她一陣抽搐,便失去意識,倒地。求援電話趕緊撥通,心肺復甦術也執行了。警察與救護人員先後抵達,依序接手急救。凌晨 02:40,醫師仍宣告女子不治死亡。[2]

事後法醫驗屍,發現波蘭女子的腦、肺都水腫,多重內臟鬱血,並判定其死因為急性呼吸窘迫(acute respiratory distress)。她的腦、肝、腎、血液,以及眼球裡的液體,含有相當高濃度的卡西酮類毒品;與警方在現場搜到的那包白粉,主成份相符。[2]

  

延伸閱讀

鑑識故事系列:芬蘭浴「桑拿」與毒品的致命極樂

備註

西藥一般有學名和商品名,前者是標準化的稱呼,後者則看各廠商如何命名。比方說,警方在案發現場搜到的嗎啡,學名為「morphine」,商品名「Sevredol TM」。未照原個案報告兩者混雜,本文統一採用學名。

參考資料

  1. Annual 2014 Global Climate Report’. (JAN 2015) U.S. National Centers for Environmental Information.
  2. Majchrzak M, Celiński R, Kowalska T, et al. (2018) ‘Fatal case of poisoning with a new cathinone derivative: α-propylaminopentiophenone (N-PP)’. Forensic Toxicology, 36, 525–533.
  3. Majchrzak M, Celiński R, Kuś P, et al. (2018) ‘The newest cathinone derivatives as designer drugs: an analytical and toxicological review’. Forensic Toxicology, 36, 33–50.
  4.  ‘Mephedrone’. (12 OCT 2020) Drug Info. State Library of NSW, Australia.
  5. 濫用藥物尿液檢驗中心」台灣尖端先進生技醫藥股份有限公司(Accessed on 13 DEC 2022)
胡中行_96
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曾任澳洲臨床試驗研究護理師,以及臺、澳劇場工作者。 西澳大學護理碩士、國立台北藝術大學戲劇學士(主修編劇)。邀稿請洽臉書「荒誕遊牧」,謝謝。