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生蛋煮成熟蛋,回不去了?——2015搞笑諾貝爾化學獎

florinn
・2015/02/11 ・1606字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 518 ・六年級

文/林宇軒

生米煮成熟飯,生蛋煮成熟蛋以後,想要再把它們變回原本的樣子,大概就只能得到謝安真的那句名言:「可是瑞凡,回不去了。」不過,最新的研究顯示,如果你想要把煮熟的蛋白質變回原樣,還是有簡單的辦法能做到!這個簡單又快速的新方法利用高速旋轉試管產生的剪力,扯開胡亂聚集與折疊的一團團蛋白質,使它們能變回原本的構型,恢復活性。

Credit: Pietro Izzo
Credit: Pietro Izzo

如果科學家想研究蛋白質(或酵素)的功能,需要先把蛋白質從細胞裡面純化出來,才能對蛋白質進行各種實驗。不過許多珍貴的蛋白質純化出來後,常常會折疊成錯誤的構型,導致那些蛋白質失去應有的功能。很多研究人員常煩惱如何量產更多蛋白質,或是怎麼樣從各個純化步驟中回收更多,加州大學爾灣分校(UC Irvine)化學的 Gregory Weiss 教授當然也不例外,因此這回他們發表的研究,就是想出了一個簡單的辦法,能把那些純化過程中折疊錯誤和胡亂凝聚的蛋白質,變回原本正確的折疊構型,以提高蛋白質的回收率。

為了模擬那些折錯且凝聚的蛋白質,Weiss團隊拿煮熟的雞蛋蛋白來做實驗,示範其中的蛋白質的確能夠折疊回原樣,並恢復活性。Weiss 說:「我們並不是真的對雞蛋加工很有興趣,我們的結果只是用來展示這個方法的強大之處」 他繼續說道:「真正的問題是你總是花太多的時間,想把那些很黏的蛋白質從試管壁上刮下來,而你正需要某種回收這些蛋白質的方法。」

困擾的是,舊方法用透析(dialysis)來純化蛋白質分子,做一次要四天才能完成,很貴又很浪費時間,但是他們開發的新方法只需要幾分鐘就結束了!Weiss 還特別強調這個方法快了將近一千倍,而這都要歸功於一台能把凝聚亂疊的蛋白質拉開,再重新折疊回原樣的裝置。

他們首先把雞蛋的蛋白以攝氏90度的高溫煮了20分鐘,裡面的蛋白質會因為高溫的關係,折疊並聚集成各種奇奇怪怪的構型,破壞了這些蛋白質原有的活性。研究的重頭戲則是把蛋白中一種很重要的蛋白質──溶菌酶(Lysozyme)變回原樣。第一步,Weiss 和他的同事加入高濃度尿素以液化固態的蛋白。雖然到這裡已經變成液體,但以分子層次來看,蛋白質分子仍然聚集成一團團沒有功能的物質。他們接著把這些蛋白溶液放進一台漩渦流體裝置(vortex fluid device),這個裝置是和他們合作的南澳洲的福林德斯大學(Flinders university)的Colin Raston 的實驗室設計出來的,這個漩渦流體裝置能快速的旋轉試管,製造出一層層的微流體,利用不同層之間的剪力把那些聚成一團團的小蛋白質球扯開,強迫它們分離,回到正確的蛋白質折疊結構。他們的實驗結果顯示,這個方法使得約82%的溶菌酶恢復活性。

漩渦流體裝置(VFD)圖:試管會傾斜一個角度,並高速旋轉 (Source: figure 1A of original article)
漩渦流體裝置(VFD)圖:試管會傾斜一個角度,並高速旋轉
(Source: figure 1A of original article)

「這個方法會改變工業和研究上製造蛋白質的過程。」研究人員在他們發表的論文中如此寫道。目前,加州大學爾灣分校已經申請專利,該校的技術聯盟辦公室也已和有興趣的商業夥伴合作,把這項技術商業化。

這個新方法能夠大幅降低癌症藥物、食品製造以及生技產業的成本。舉例來說,利用基因重組技術大量生產的重組蛋白就常常會折疊錯誤,食品工業或是其他使用重組蛋白的人,就會因此受益,獲得更高的利潤。另一個例子,許多製藥公司利用倉鼠卵巢細胞來製造癌症抗體,這類細胞製造出來的蛋白不容易發生折疊錯誤,但是這種生產方式開銷龐大,導致成本高昂,若使用Weiss團隊的新技術來修復蛋白的話,就能利用較廉價的大腸桿菌來量產癌症抗體蛋白質,並利用這個簡單的技術提高蛋白質的回收率,如此一來癌症治療的成本將有機會下降,使病人更負擔的起醫療費用。

參考資料:

  1. Chemists find a way to unboil egg whites: Ability to quickly restore molecular proteins could slash biotechnology costs. – ScienceDaily
  2. Shear-Stress-Mediated Refolding of Proteins from Aggregates and Inclusion Bodies.Tom Z. Yuan, et al., ChemBioChem, 2015; DOI: 1002/cbic.201402427

文章難易度
florinn
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曾任泛科學實習編輯,是個從學術象牙塔逃離的化學系、化學所學生。比起做實驗,更喜歡分享科學故事、聽科學趣聞,寫科普文的目的就是希望能和大家一起領略科學的力與美。


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推理系動畫毒殺利器!——認識致命的「河魨毒」

Evelyn 食品技師_96
・2022/01/21 ・3364字 ・閱讀時間約 7 分鐘
  • 文/Evelyn 食品技師

早在兩千年前《山海經》就提到肺魚(河魨)[註 1]會毒死人;明代的《本草綱目》亦記載:「河魨有大毒,味雖珍美,食之殺人」,可知早在古代,大家就發現河魨肉的美味之處,也知道他擁有「劇毒」,甚至連動畫《名偵探柯南》都曾上演用河魨毒殺人的案件呢!(動畫第 226 ~ 227 集:戰鬥遊戲的陷阱)

河魨是媲美和牛的夢幻料理,為了一嚐美味連命都不要了!

在日本,河魨被視為珍饈佳餚,尤其河魨生魚片富含膠原蛋白、脂肪含量低、味道清爽鮮甜,口感爽脆帶勁,其美味足以媲美日本和牛,被認為是一生必吃一次的夢幻料理。

許多饕客無法抗拒河魨的美味,為了能嚐上那一口極品,即使冒著生命危險也在所不惜。史上因河魨送命的最知名案例,莫過於 1975 年日本國寶級歌舞伎演員八代目坂東三津五郎,在料亭師傅推薦下,吃了四份河魨肝(據說是河魨最美味的部位)後中毒身亡,成為食魨死士。

根據日本厚生勞動省統計,在 1959 年前,日本每年因河魨毒中毒死亡的人數超過 100 人,直至 1982 年後,中毒死亡人數才降至每年 10 人以下。主要是因日本政府推行「河魨料理廚師執照」,通過筆試與術科考取執照,才可以合法烹調河魨,使河魨毒中毒死亡率大幅降低。 

星斑叉鼻魨 Arothron stellatus(Bloch and Schneider)。圖/參考資料 1

相較之下,臺灣雖然沒有如此盛行吃河魨,但每年仍發生不少因誤食河魨而中毒的案例。筆者根據衛生福利部的歷年食品中毒資料統計,從民國 81 年至 109 年河魨毒中毒案件計有 33 案,患者總人數為 139 人,死亡總人數為 11 人,死亡率高達 7.9%。

民國 81 年至 109 年河魨毒中毒統計資料。資料來源/衛生福利部

分析主要原因是漁品產銷人員及社會大眾辨識河魨能力不足,為此,民國 101 年衛生福利部食品藥物管理署出版「臺灣常見有毒河豚(魨)圖鑑手冊」,整理臺灣常見之有毒河魨(參考資料 1),提供漁品產銷人員及社會大眾參閱,故民國 101 年後的中毒案件及人數確實有顯著下降。

河魨毒素究竟有多強?和「麻痺性貝毒」非常接近!

1909 年,日本科學家首次從河魨卵巢中分離出毒素,命名為河魨毒素(tetrodotoxin; TTX)。1964 年後,日本科學家們確定 TTX 化學結構。TTX 分子式為 C11H17O8N3,分子量為 319 Da,為河魨毒中毒性最強的主要化合物,擁有許多結構類似物(structural analog)[註 2],分子量與毒性強弱依結構型態而有所不同。 

河魨毒素(tetrodotoxin; TTX)分子結構及其結構類似物。圖 / 參考資料 5

其中以 TTX 毒性最強,小鼠口服之半數致死劑量 LD50 是 334 μg/kg [註 3],跟麻痺性貝毒的毒性十分接近(蛤蚌毒素 LD50 為 263 μg/kg)[註 4]。且不論是化學特性、中毒機制、毒性或治療方式,皆與麻痺性貝毒非常相似。

當 TTX 進入人體內組織後,會阻塞神經末梢細胞上的鈉離子通道,使鈉離子無法進入神經細胞,膜電位無法去極化 (depolarization),動作電位無法產生,使神經元失去傳導功能,進而造成中樞神經、知覺神經及運動神經麻痺。尤其當毒素量高時,迷走神經、血管運動中樞至橫膈膜皆麻痺,最後蔓延至呼吸神經麻痺而死。

TTX 潛伏期一般在 3 小時內(通常在 10 至 45 分鐘),潛伏期長短亦受進食毒素量影響。目前河魨毒中毒並無特殊之藥物可以使用,主要治療乃是支持性療法為主。如未產生呼吸衰竭,應不會造成死亡。但若患者已產生明顯之肌肉無力現象,則應隨時準備放置氣管插管,並以人工呼吸器幫助呼吸。亦可給予經稀釋的活性碳及輕瀉劑,以加速毒素排出。

而《名偵探柯南》動畫中,更是直接將河魨毒刺入人體動脈中,作用的速度和反應會比食用更快、更強烈。筆者估計死者應該當場暴斃,連症狀都來不及發生……也順便稱讚一下,那集茱蒂老師講解 TTX 的毒性資訊真的正確無誤喔!

這位是茱蒂老師(怕你忘記是誰)。圖/IMDb

河魨毒原來是細菌產生的!河魨怎麼不會被自己毒死?

河魨毒最早是發現於河魨因而得名,後來也被發現存在於其他脊椎生物中,包括蠑螈、蝦虎魚、箭毒蛙等;無脊椎動物包括海螺及章魚等。後來在河魨、有毒蟹類以及紅藻 Jania sp. 中篩檢出海洋菌株 Shewanella algaAlteromonas tetraodonis,並發現該細菌具有產生河魨毒的能力。

海洋菌株 Shewanella alga。圖/參考資料 5

後續有愈來愈多研究證實,河魨毒主要來源應是具產河魨毒能力之細菌,經由寄生或共生的方式,存在於生物體(如藻類、魚、蝦、蟹或貝等)中,河魨再透過食物鏈累積在其體內,而非河魨自己產生。河魨甚至還會刻意選擇具有河魨毒之生產能力的生物為食物,使毒素累積在體內,以肝臟、卵巢累積最多,腸道、皮膚次之,為一種特殊的防禦機制。

此外,河魨的肌肉中,因含有河魨毒結合蛋白(TTX-binding protein),可包覆河魨毒,參與河魨毒的運輸,使河魨對毒素耐受性高,才不會被自己毒死。

  • 延伸閱讀:盤點海洋中的「毒系寶可夢」!河豚、貝類有毒不是 they 的錯 ft. 食品技師 Evelyn【科科聊聊 EP71】

這批有夠純!河魨毒除了可以止痛,還可以被海豚拿去「吸」?

想不到的是,身為天然劇毒的河魨毒對生物可不全然只有害,有研究指出河魨毒由於具有抑制神經傳導的作用,可能有機會應用於醫療用途呢!

動物實驗的結果顯示,微量的河魨毒可作為局部麻醉劑,合併其他麻醉藥物一起使用,可有效延長局部麻醉時間;作為止痛劑使用,也能有效減輕受傷所造成的發炎反應、肌肉疼痛及神經性疼痛,且無其他副作用,比起嗎啡(morphine)更溫和。

當然,以上河魨毒的醫療應用,於人體實驗還需要進一步的研究。

另外英國《BBC》的自然紀錄片《荒野間諜》(Spy in the Wild)在南非拍攝到罕見的「海豚吸毒」景像。海豚們紛紛把河魨當成玩具亂丟亂甩,把河魨咬在口中「吸毒」,陷入恍惚的興奮狀態,並做出各種ㄎ一ㄤ到不行的行為,最後玩膩了才把河豚放走,是不是有夠像小屁孩呢!

海豚吸河魨毒影片截圖。圖/參考資料 7

不要拚死吃河魨!注意應避免食用來路不明的水產品

最後還是要呼籲,只要避免食用河魨或來路不明的水產品,即可有效避免河魨毒中毒。如果真的需要滿足口腹之慾而「拚死吃河魨」的話,建議先確認是否屬無毒魚種,並有效去除其內臟組織及皮膚。

若不幸食用河魨而中毒時,應先催吐使胃內容物排出,並儘速就醫,以免因中毒嚴重,造成呼吸衰竭而死亡。 

註解

  1. 河魨,常作河豚,古名肺魚。
  2. 「河魨毒」為 TTX 及其所有結構類似物的總稱;「河魨毒素」為 TTX;結構類似物(structural analog),是指一系列的化合物在主結構上大致相同,但部分結構會有一個或多個原子、官能基或子結構的不同,造成他們之間的化學特性可能不一樣,故河魨毒一系列類似物的毒性大小不會完全相同。
  3. 半數致死劑量(lethal dosage 50%; LD50),指在動物實驗中,使實驗動物產生百分之五十比例之死亡所需要化學物質之劑量。
  4. 麻痺性貝毒(paralytic shellfish poison)為一系列毒素總稱,其中毒性最強烈的毒素為蛤蚌毒素(saxitoxin)。

參考資料

Evelyn 食品技師_96
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國立大學食品科學研究所畢業,現為一名食品技師兼食品研發專員,對食品科學充滿熱忱。有鑒於近年發生許多食安風暴,大眾對於食品安全的關注越來越高,網路上卻充斥著不實資訊或謠言。希望能貢獻微薄之力寫些文章,讓更多人有機會認識食品科學的正確資訊!想獲得更多食品營養資訊可追蹤作者的粉絲專頁 https://www.facebook.com/profile.php?id=100066016756421