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抗病基因的祕密:疾病形塑人類

探索頻道雜誌_96
・2015/04/08 ・3083字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 593 ・九年級
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024-037 抗病基因的秘密1
伸出一根偽足的巨噬細胞。出自《探索頻道雜誌國際中文版》

撰文:瑞秋.蘇利文(Rachel Sullivan)

即使在最嚴重的疫情中,總也有人倖存下來埋葬死者,這些倖存者為何與眾不同?這種看似隨機的天擇又如何決定人類的樣貌呢?答案就在基因裡。科學家對人類基因體的探索日新月異,目標是解開我們基因遺產、免疫系統的祕密,找到 方法抵禦現今砲火猛烈的入侵者,現在就跟《Discovery 探索頻道雜誌》一起聽聽這些科學家的說法吧!

當今是對抗疾病最告急的時刻。2014 年年末,伊波拉病毒的感染呈指數成長,突破各種防疫措施,各界益發擔憂即將上演全球大爆發。這種疾病具高度傳染性,且未治療情況下的致死率高達 90%,即便接受治療也高達 70%。西非的致死案例持續增加,伊波拉成為全球數一數二致命的疾病。

這並不光榮。1346 年到 1350 年間,黑死病扭轉了歐洲歷史,在歐洲、中東、 俄羅斯和北亞地區奪走約三分之二感染者的性命;19 世紀霍亂肆虐全球,在未治療情況下的致死率為 50%到 60%;甚至人人聞之色變的天花也只有 30%的致死率(儘管歐洲探險家將天花帶到不曾接觸此疾病的新大陸,導致高達 90%的感染者死亡)。

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相較之下,嚴重急性呼吸道症候群(SARS)的致死率頗低,近 10%,儘管 2002 到 2003 年間 SARS 從香港傳到世界各地 37 個國家時,曾引起悲觀的預測和大眾恐慌。這些數據雖然有如一記記警鐘,卻也點出了令人玩味的重要事實, 那就是在還沒有現代醫學插手的年代,無論是再要命的疾病、再嚴重的疫情,都有人存活;因此「殺不死我的,使我更堅強」這句話其實能得到科學背書,至少以物種來說是如此。

此HIV感染已臻成熟,病毒在人類淋巴組織中蔓延。出自《探索頻道雜誌國際中文版》,點擊看看它在雜誌裡的樣子。

疾病形塑人類

無論我們願不願意承認,疾病都是形塑人類今日樣貌的一大推力。我們都曉得人類起源於非洲,但約莫 10 萬年前出現了一個扭轉乾坤的事件,將當時的人類數量削減到少於 1 萬人。而現代人類就從中演化而來,數量遽增,取代了尼安德塔人等其他早期的人種。

針對這所謂的演化瓶頸和隨之而來的指數性人口成長,各界提出不少理論, 包括基因突變、語言文化發展,以及大型火山爆發等氣候變遷事件,然而還有另一項可能的重要因素,那就是疾病。

目前有美國科學家認為,在 10 萬到 20 萬年前間的某段時期,曾出現橫掃早期智人的流行病,使智人的數量銳減,僅有具特定突變基因的人存活下來。

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其中一位科學家是聖地牙哥加州大學的阿吉特.瓦基(Ajit Varki),他表示, 無論當年的罪魁禍首是什麼疾病,遭受最大衝擊的很可能是年紀小的人。「我們在人類身上找到兩個無作用的基因,是其他人類近親的靈長類動物體內沒有的, 這很可能就是病菌攻擊的目標,而對新生兒和幼兒來說更是致命。」瓦基是聖地牙哥加大的細胞與分子醫學教授,他告訴我們,該流行病的「幼小戰術」可能是削減人口的高效方式。「殺死年幼個體對繁衍有極大殺傷力──在那之後物種的存續就看該物種能否抵抗病原體或清除對病原體有利的標的蛋白。」

瓦基指出,這兩個與免疫系統有關的基因(Siglec-17 和 Siglec-13)失活, 很可能使得現代人類祖先更能抵禦兩種會引發人類胚胎和嬰幼兒罹患敗血症和腦膜炎的細菌(大腸桿菌和鏈球菌)。他表示:「在規模有限的小型群體中,一個小突變就可能發揮大影響,一個稀有等位基因(在成對染色體相對位置上的相對遺傳基因)可能享有很高的基因頻率。」瓦基認為這種病原威脅很可能發揮了「選擇性清除」的作用,只讓少數具備現代人類生理結構的人存活;確切來說,這些祖先繁衍到今天的 70 億人口都擁有無功能的 Siglec-17 基因,而 Siglec-13 基因更是完全消失。

但就像許多科學問題一樣,並沒有這麼簡單,瓦基指出,人類的演化瓶頸很可能是多重因素交互作用的結果。「促使物種形成(又稱種化、成種作用)的事很多,我們認為傳染原只是其中一項。」

深入了解免疫力

當然,戰勝疾病不只需要好基因。當我們生病時,年齡、地理環境和種族等各種複雜的因素相互作用,都會影響我們何時痊癒,以及究竟能不能病癒。

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感染暨免疫專家伊佛.穆勒(Ivo Mueller)教授任職於澳洲墨爾本的華特與伊莉莎霍爾醫學研究所和西班牙的巴塞隆納國際健康研究中心(CRESIB),他參與一項研究,調查非洲和巴布亞紐幾內亞的人口對於瘧疾的抵抗力強弱,他指出,我們對疾病的抵抗可分為兩層次,分別是免疫系統遺傳適應

「免疫系統是第一道防線,因為免疫系統能在被攻擊時快速調適、演化,所以免疫反應能迅速處理多數感染,」穆勒解釋,「免疫反應的後天適應能力意味著雖然我們的壽命比病原體長無數倍,但仍能跟上病原體演化的速度。」人的身體生來就具備抵抗多種病原體的防護力,能幫助我們戰勝多種常見疾病;此外我們也能從外界獲得被動免疫,好比母乳就能提供短期的抵抗力。隨著我們接觸各種疾病和疫苗,後天免疫力更逐漸演化。

免疫系統是由諸多細胞、組織和器官組成的協同網絡,而這道防禦機制的關鍵之一就是白血球。白血球位於脾臟、淋巴系統和骨髓內,其中兩種白血球能合力揪出入侵者並加以摧毀──吞噬細胞(phagocyte)能吞噬外來的毒素、細菌、 病毒、寄生蟲和真菌類;由骨髓製造的淋巴細胞(lymphocyte,即淋巴球)則幫助身體辨識曾經入侵的外來分子。

024-037 抗病基因的秘密2
巨噬細胞(黃色)正吞噬一隻疏螺旋菌(藍色)。出自《探索頻道雜誌國際中文版》,點擊看看它在雜誌裡的樣子。

淋巴細胞可分成兩個專精的種類。T 淋巴細胞(T 細胞)位於胸腺內,一旦依形狀辨識出外來分子,便會分泌細胞激素(cytokines),以便傳送化學訊息來警告免疫系統;至於 B 淋巴細胞(B 細胞)也扮演情報站的角色,能蒐集入侵物 的資訊,並分泌一批批抗體──就是特化的蛋白質,能攔截外來的抗原,阻止入侵。

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抗體基因由基因體中的去氧核糖核酸(DNA)片段組合而成,並隨免疫反應的迭代、突變和淘汰循環而演進,須經歷 20 到 40 次突變才能完美變形,鎖住並殺死外來分子。免疫系統就是如此調整來抵禦每年不斷突變的流行性感冒病毒。抗體擊敗病原後會留在體內,一旦再遇到類似的入侵者就能立即行動,這就是交叉抵抗性和免疫作用的成因,也解釋了為什麼水痘通常得過了就不會再得。

戰勝疾病、突破了演化瓶頸的早期人類迅速在世界各地開枝散葉,但疾病形塑人類基因體的工程可沒劃下句點,有些病毒 DNA 甚至融入了我們的基因藍圖。

愛麗諾.卡爾森博士(Dr Elinor Karlsson)解釋:「我們已經發現許多傳染病改變人類基因體的案例,而現今的健康問題其實正與這現象有關。」卡爾森在美國哈佛大學與麻省理工學院合辦的布洛德研究所(Broad Institute)擔任博士後研究員。

人類四處遷徙,各群體會遭遇不同的病原體,物競天擇也使等位基因更為普遍,對病原體和宿主都有利。古老的歷史到今天仍影響著人類對傳染病的易感染程度,也造就有地理差異的常見疾病,例如自體免疫疾病代謝疾病等。「以前人罹患這些疾病的死亡率比較高,而沒罹病的人則比較可能活下來, 繁衍更多子孫,」卡爾森說,「演化其實就是持續千萬年的浩大臨床試驗,我們不斷隨機調整基因體,看看能否變得更健康,而較健康的人通常會存活下來,沒這麼健康的人則被淘汰。」

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卡爾森解釋,科學日新月異,如今我們已能細細追溯人類歷史悠久的疾病大戰。「現在我們有新的基因體技術,能研究整個基因體,這是人類第一次有能力回溯演化史的臨床試驗帶來了什麼樣的成果。」

本文出自《探索頻道雜誌國際中文版》2015 年 03 月號第 26 期

還想知道更多:抗病基因的秘密:侵入者與宿主

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探索頻道雜誌_96
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《探索頻道雜誌》以說故事的方式,將複雜艱深的主題轉變成輕鬆有趣的文章,主題包羅萬象,涵括自然、探險、科技、藝術、歷史、環境、旅遊、文化和趣聞軼事等,以科學和人文角度滿足你的好奇心。雜誌滿載大篇幅的彩色實景照片,讓視覺娛樂更豐富。閱讀《探索頻道雜誌》,給你嶄新視野,探索無限可能。

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人與 AI 的關係是什麼?走進「2024 未來媒體藝術節」,透過藝術創作尋找解答
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/10/24 ・3176字 ・閱讀時間約 6 分鐘

本文與財團法人臺灣生活美學基金會合作。 

AI 有可能造成人們失業嗎?還是 AI 會成為個人專屬的超級助理?

隨著人工智慧技術的快速發展,AI 與人類之間的關係,成為社會大眾目前最熱烈討論的話題之一,究竟,AI 會成為人類的取代者或是協作者?決定關鍵就在於人們對 AI 的了解和運用能力,唯有人們清楚了解如何使用 AI,才能化 AI 為助力,提高自身的工作效率與生活品質。

有鑑於此,目前正於臺灣當代文化實驗場 C-LAB 展出的「2024 未來媒體藝術節」,特別將展覽主題定調為奇異點(Singularity),透過多重視角探討人工智慧與人類的共生關係。

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C-LAB 策展人吳達坤進一步說明,本次展覽規劃了 4 大章節,共集結來自 9 個國家 23 組藝術家團隊的 26 件作品,帶領觀眾從了解 AI 發展歷史開始,到欣賞各種結合科技的藝術創作,再到與藝術一同探索 AI 未來發展,希望觀眾能從中感受科技如何重塑藝術的創造範式,進而更清楚未來該如何與科技共生與共創。

從歷史看未來:AI 技術發展的 3 個高峰

其中,展覽第一章「流動的錨點」邀請了自牧文化 2 名研究者李佳霖和蔡侑霖,從軟體與演算法發展、硬體發展與世界史、文化與藝術三條軸線,平行梳理 AI 技術發展過程。

圖一、1956 年達特茅斯會議提出「人工智慧」一詞

藉由李佳霖和蔡侑霖長達近半年的調查研究,觀眾對 AI 發展有了清楚的輪廓。自 1956 年達特茅斯會議提出「人工智慧(Artificial Intelligence))」一詞,並明確定出 AI 的任務,例如:自然語言處理、神經網路、計算學理論、隨機性與創造性等,就開啟了全球 AI 研究浪潮,至今將近 70 年的過程間,共迎來三波發展高峰。

第一波技術爆發期確立了自然語言與機器語言的轉換機制,科學家將任務文字化、建立推理規則,再換成機器語言讓機器執行,然而受到演算法及硬體資源限制,使得 AI 只能解決小問題,也因此進入了第一次發展寒冬。

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圖二、1957-1970 年迎來 AI 第一次爆發

之後隨著專家系統的興起,讓 AI 突破技術瓶頸,進入第二次發展高峰期。專家系統是由邏輯推理系統、資料庫、操作介面三者共載而成,由於部份應用領域的邏輯推理方式是相似的,因此只要搭載不同資料庫,就能解決各種問題,克服過去規則設定無窮盡的挑戰。此外,機器學習、類神經網路等技術也在同一時期誕生,雖然是 AI 技術上的一大創新突破,但最終同樣受到硬體限制、技術成熟度等因素影響,導致 AI 再次進入發展寒冬。

走出第二次寒冬的關鍵在於,IBM 超級電腦深藍(Deep Blue)戰勝了西洋棋世界冠軍 Garry Kasparov,加上美國學者 Geoffrey Hinton 推出了新的類神經網路算法,並使用 GPU 進行模型訓練,不只奠定了 NVIDIA 在 AI 中的地位, 自此之後的 AI 研究也大多聚焦在類神經網路上,不斷的追求創新和突破。

圖三、1980 年專家系統的興起,進入第二次高峰

從現在看未來:AI 不僅是工具,也是創作者

隨著時間軸繼續向前推進,如今的 AI 技術不僅深植於類神經網路應用中,更在藝術、創意和日常生活中發揮重要作用,而「2024 未來媒體藝術節」第二章「創造力的轉變」及第三章「創作者的洞見」,便邀請各國藝術家展出運用 AI 與科技的作品。

圖四、2010 年發展至今,高性能電腦與大數據助力讓 AI 技術應用更強

例如,超現代映畫展出的作品《無限共作 3.0》,乃是由來自創意科技、建築師、動畫與互動媒體等不同領域的藝術家,運用 AI 和新科技共同創作的作品。「人們來到此展區,就像走進一間新科技的實驗室,」吳達坤形容,觀眾在此不僅是被動的觀察者,更是主動的參與者,可以親身感受創作方式的轉移,以及 AI 如何幫助藝術家創作。

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圖五、「2024 未來媒體藝術節——奇異點」展出現場,圖為超現代映畫的作品《無限共作3.0》。圖/C-LAB 提供

而第四章「未完的篇章」則邀請觀眾一起思考未來與 AI 共生的方式。臺灣新媒體創作團隊貳進 2ENTER 展出的作品《虛擬尋根-臺灣》,將 AI 人物化,採用與 AI 對話記錄的方法,探討網路發展的歷史和哲學,並專注於臺灣和全球兩個場景。又如國際非營利創作組織戰略技術展出的作品《無時無刻,無所不在》,則是一套協助青少年數位排毒、數位識毒的方法論,使其更清楚在面對網路資訊時,該如何識別何者為真何者為假,更自信地穿梭在數位世界裡。

透過歷史解析引起共鳴

在「2024 未來媒體藝術節」規劃的 4 大章節裡,第一章回顧 AI 發展史的內容設計,可說是臺灣近年來科技或 AI 相關展覽的一大創舉。

過去,這些展覽多半以藝術家的創作為展出重點,很少看到結合 AI 發展歷程、大眾文明演變及流行文化三大領域的展出內容,但李佳霖和蔡侑霖從大量資料中篩選出重點內容並儘可能完整呈現,讓「2024 未來媒體藝術節」觀眾可以清楚 AI 技術於不同階段的演進變化,及各發展階段背後的全球政治經濟與文化狀態,才能在接下來欣賞展區其他藝術創作時有更多共鳴。

圖六、「2024 未來媒體藝術節——奇異點」分成四個章節探究 AI 人工智慧時代的演變與社會議題,圖為第一章「流動的錨點」由自牧文化整理 AI 發展歷程的年表。圖/C-LAB 提供

「畢竟展區空間有限,而科技發展史的資訊量又很龐大,在評估哪些事件適合放入展區時,我們常常在心中上演拉鋸戰,」李佳霖笑著分享進行史料研究時的心路歷程。除了從技術的重要性及代表性去評估應該呈現哪些事件,還要兼顧詞條不能太長、資料量不能太多、確保內容正確性及讓觀眾有感等原則,「不過,歷史事件與展覽主題的關聯性,還是最主要的決定因素,」蔡侑霖補充指出。

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舉例來說,Google 旗下人工智慧實驗室(DeepMind)開發出的 AI 軟體「AlphaFold」,可以準確預測蛋白質的 3D 立體結構,解決科學家長達 50 年都無法突破的難題,雖然是製藥或疾病學領域相當大的技術突破,但因為與本次展覽主題的關聯性較低,故最終沒有列入此次展出內容中。

除了內容篩選外,在呈現方式上,2位研究者也儘量使用淺顯易懂的方式來呈現某些較為深奧難懂的技術內容,蔡侑霖舉例說明,像某些比較艱深的 AI 概念,便改以視覺化的方式來呈現,為此上網搜尋很多與 AI 相關的影片或圖解內容,從中找尋靈感,最後製作成簡單易懂的動畫,希望幫助觀眾輕鬆快速的理解新科技。

吳達坤最後指出,「2024 未來媒體藝術節」除了展出藝術創作,也跟上國際展會發展趨勢,於展覽期間規劃共 10 幾場不同形式的活動,包括藝術家座談、講座、工作坊及專家導覽,例如:由策展人與專家進行現場導覽、邀請臺灣 AI 實驗室創辦人杜奕瑾以「人工智慧與未來藝術」為題舉辦講座,希望透過帶狀活動創造更多話題,也讓展覽效益不斷發酵,讓更多觀眾都能前來體驗由 AI 驅動的未來創新世界,展望 AI 在藝術與生活中的無限潛力。

展覽資訊:「未來媒體藝術節——奇異點」2024 Future Media FEST-Singularity 
展期 ▎2024.10.04 ( Fri. ) – 12.15 ( Sun. ) 週二至週日12:00-19:00,週一休館
地點 ▎臺灣當代文化實驗場圖書館展演空間、北草坪、聯合餐廳展演空間、通信分隊展演空間
指導單位 ▎文化部
主辦單位 ▎臺灣當代文化實驗場

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微小 RNA,大大改變!2024 諾貝爾生醫獎揭示基因調控新篇章
PanSci_96
・2024/11/12 ・2604字 ・閱讀時間約 5 分鐘

2024 年諾貝爾生理學或醫學獎榮耀地頒發給了兩位傑出的科學家——維克多·安布羅斯(Victor Ambros)和蓋瑞·魯夫昆(Gary Ruvkun),以表彰他們對 microRNA 的發現和研究。他們的工作揭示了一種過去人類一無所知的基因調控機制,不僅顛覆了我們對生物學的理解,還為未來全新的醫療技術開啟了大門。那麼,什麼是 microRNA?它是如何被發現的?又能用來治療哪些棘手的疾病?

歡迎訂閱 Pansci Youtube 頻道 獲取更多深入淺出的科學知識!

microRNA 是什麼?

首先,讓我們澄清一個常見的誤解:microRN A並非我們熟知的 mRNA(信使 RNA)。microRNA,中文稱為微型核糖核酸,是一種長度僅有 20~25 個核苷酸的小型 RNA 分子。與長度動輒數百甚至數千個核苷酸的 mRNA 相比,microRNA 確實名副其實地「微」。

microRNA 本身並不會被轉譯成蛋白質,但它在基因調控中扮演著關鍵角色。它能夠與特定的 mRNA 結合,抑制或調節這些 mRNA 的轉譯,從而控制蛋白質的合成。這種調控機制被稱為「轉錄後基因調控」(post-transcriptional gene regulation),是細胞精確控制基因表達的重要方式。

它如何調控基因表現?

在細胞中,DNA 是遺傳信息的載體,但它需要通過轉錄和轉譯過程才能發揮作用。轉錄(transcription)是將 DNA 上的遺傳信息轉錄到 mRNA 上,而轉譯(translation)則是將 mRNA上的信息轉譯成蛋白質。

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然而,microRNA 在轉錄與轉譯之間的關鍵環節發揮了調控作用。它可以與目標 mRNA 分子結合,阻礙或抑制其轉譯過程,從而控制特定蛋白質的生成。這就像是在烹飪過程中,microRNA 扮演了一個負責調整出菜速度的協調人員,決定了哪道菜(蛋白質)應該在何時上桌(被合成)。

更有趣的是,microRNA 與 mRNA 之間並非一對一的關係。一個 microRNA 可以調控多個 mRNA,而一個 mRNA 也可能受到多個 microRNA 的影響。這種多對多的關係,使得細胞內的基因調控網絡極為複雜,但也提供了極大的靈活性,讓細胞能夠精確地適應內外環境的變化。

microRNA 的發現經過

microRNA 的發現充滿了機緣巧合。上世紀 80 年代,安布羅斯和魯夫昆對基因在不同時序活化的機制深感興趣。他們選擇了秀麗隱桿線蟲(C. elegans)作為研究對象,這種微小的線蟲體長僅 0.1 公分,但擁有肌肉、神經等多種細胞類型,且全身透明,非常適合觀察和研究。

他們發現,當線蟲的 lin-14 基因發生突變時,線蟲會跳過幼蟲的第一發育階段,直接進入第二階段,導致成蟲體型較小。而當 lin-4 基因突變時,第一發育階段會被延長,成蟲體型較大。他們推測,lin-4 可能通過抑制 lin-14 的表現來調節線蟲的發育。

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經過數年的研究,安布羅斯證明了 lin-4 會產生一段不編碼蛋白質的短鏈 RNA,這正是 microRNA。同時,魯夫昆發現,lin-14 的 mRNA 雖然正常轉錄,但在轉譯過程中被抑制,導致基因表達受阻。兩人的研究互相印證,揭示了 microRNA 如何通過結合目標 mRNA,控制基因的表達。

然而,這一重要發現並未立即引起廣泛關注。當時的科學界普遍認為,這種機制可能僅存在於線蟲中,對於其他生物並無意義。直到 2000 年,科學家們在多種生物中發現了類似的 microRNA,證明了這種調控機制的普遍性和重要性。

microRNA 的調控機制直到 2000 年才被證明了它的重要性。

microRNA 可以用於治療哪些疾病?

microRNA 在生物的生命歷程中扮演著重要角色,從胚胎發育、器官功能到老化過程,都與其息息相關。目前,已發現的人類 microRNA 種類可能超過 2500 種,並且這個數字還在不斷增加。

在醫學領域,microRNA 的發現為多種疾病的治療帶來了新的希望。

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1. 癌症治療

microRNA 與癌症的關係密切。研究發現,某些 microRNA 的異常表達可能導致細胞無限制地增殖,從而形成腫瘤。通過調節這些 microRNA 的表達,有可能抑制癌細胞的生長。目前,已有生物科技公司開始研發基於 microRNA 的抗癌療法。

2. 神經退行性疾病

在阿茲海默症、帕金森氏症等神經退行性疾病中,microRNA 也被發現參與了病理過程。調節特定的 microRNA,有望減緩疾病的進展,改善患者的生活質量。

3. 心血管疾病

microRNA 在心肌梗塞、心臟衰竭、動脈硬化等心血管疾病中也扮演著關鍵角色。通過調節相關的 microRNA,有可能促進心肌細胞的再生,恢復心臟功能。

4. 其他疾病

此外,microRNA 還與先天性聽力損失、眼科疾病、骨骼疾病、糖尿病、自身免疫疾病等多種疾病相關。研究者們正積極探索 microRNA 在這些領域的治療潛力。

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挑戰與未來展望

儘管 microRNA 在醫學上具有巨大潛力,但要將其應用於臨床治療,仍然面臨著諸多挑戰。

1. 脫靶效應

由於 microRNA 可以影響多個目標 mRNA,調節一個 microRNA 可能會對多個基因的表達產生影響,導致不可預測的副作用。如何提高 microRNA 療法的精準性,減少脫靶效應,是一大難題。

2. 遞送系統

microRNA 分子在體內容易被降解,如何將其穩定地運送到目標細胞或組織,是技術上的另一個挑戰。需要開發高效、安全的遞送系統,確保 microRNA 能夠發揮預期的治療效果。

3. 安全性和有效性評估

任何新的治療方法都需要經過嚴格的安全性和有效性評估。microRNA 療法需要經過大量的臨床試驗,才能最終應用於臨床。

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然而,這些挑戰並未阻止科學家們的熱情。隨著技術的不斷進步,我們有理由相信,microRNA 療法將在未來為人類的健康帶來重大突破。

microRNA 療法或許將在未來帶來人類醫療上的重大突破。圖/envato

結語

microRNA 的發現,不僅顛覆了我們對基因表達和調控的傳統認識,還為醫學領域帶來了革命性的變革。2024 年諾貝爾生醫獎的頒發,是對安布羅斯和魯夫昆兩位科學家傑出貢獻的最高肯定。

未來,隨著對 microRNA 研究的不斷深入,我們有望開發出更多基於 microRNA 的診斷和治療方法,為癌症、阿茲海默症、心臟衰竭等棘手疾病帶來新的希望。

如果你對生物醫學領域感興趣,或許下一個重大突破將由你來實現。microRNA 的故事告訴我們,即使是最微小的發現,也可能帶來巨大的改變。

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世界最快顯微鏡問世 阿秒瞬間捕捉電子運動
顯微觀點_96
・2024/11/11 ・1726字 ・閱讀時間約 3 分鐘

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本文轉載自顯微觀點

Adobestock 276618934
圖/顯微觀點

穿透式電子顯微鏡(transmission electron microscope, TEM)的出世,將物體放大數百萬倍,讓科學家得幾看見小至 0.1 奈米的樣本結構。但是「看得小還要看得快」,若要看到電子的運動軌跡,還得快速捕捉才能看得清楚。

美國亞利桑那大學(University of Arizona)物理與光學系副教授哈山(Mohammed Th. Hassan)率領的研究團隊,日前開發了世界上最快的電子顯微鏡,小至 1 阿秒(attosecond)的解析度,能更精確地捕獲分子內的電子快速運動。

2023年諾貝爾物理學獎頒給法國物理學家皮耶.阿戈斯提尼(Pierre Agostini)、匈牙利/奧地利物理學家費倫茨.克勞斯(Ferenc Krausz)和法國/瑞典物理學家安妮.呂利耶(Anne L’Huillier),表彰他們「發展出產生阿秒光脈衝的實驗方法,得以研究物質中的電子動力學」。哈山團隊便是以此技術為基礎進行研究開發。

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21 世紀初,首次出現了具有奈秒(nanosecond)解析度的電子顯微鏡,以對雷射誘導的鎳金屬熔化和鈷塊體的形態變化進行成像,在這之後許多研究工作都集中在提高電子顯微鏡的時間解析度。

2008 年,電子顯微鏡的時間解析度提高到亞皮秒,亦即比皮秒(picosecond)還要小的時間尺度,擴展了電子顯微鏡對更快的分子和原子運動進行成像的能力。而透過連續和脈衝雷射光束的閘控技術,可將時間解析度提高到亞飛秒的時間尺度,記錄數阿秒的平均動態影片。

但這樣的阿秒脈衝序列僅限於成像週期性動力學,對非週期性的運動,如電荷遷移、電子運動等須將探測限制為單一事件的研究,則需要產生(使用)單一阿秒電子脈衝。

哈山團隊開發的顯微鏡,使用雷射將電子束切割成兩個超短脈衝。第一個脈衝稱為泵浦脈衝(pump pulse),將能量注入樣品並導致電子移動或其他快速變化;第二個脈衝稱為光閘脈衝(optical gating pulse),創造一個短暫時間視窗,產生閘控的單一阿秒電子脈衝。仔細同步兩個脈衝,研究人員就可以控制電子脈衝何時探測樣品。

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World Fastes Microscope
閘控光束被引導至發生電子閘控和阿秒電子脈衝產生的樣品位置,用於記錄影像(衍射/直接)以探測物質的電子動力學。圖/Attosecond electron microscopy and diffraction

就像相機上的快門一樣,這些脈衝也使團隊能夠每 625 阿秒捕捉一張石墨烯片中電子的新影像,時間解析度大約是現有技術的一千倍。

團隊也提到許多實驗因素對於執行阿秒電子成像實驗至關重要,例如:雷射的高重複率,以閘控大量電子;以及雷射光束的高穩定性強度來實現顯微鏡中的低訊噪比等。

「當你獲得最新一代的智慧型手機時,通常配備更好的相機」,哈山表示新開發的穿透式電子顯微鏡就像最新智慧型手機搭載非常強大的相機。

「現在使用我們的電子透射顯微鏡首次能夠達到阿秒級的時間解析度,我們稱之為『阿秒顯微術』。這是第一次,我們可以看到電子在運動中的樣態」,哈山說道。

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而新開發的電子顯微鏡可以即時拍攝、控制化學和生化反應,預期也將對材料合成、藥物設計和個人化醫療領域的研究產生助益。

時間的數量級

  • 阿秒(as):10-18 秒
  • 飛秒(fs):10-15 秒
  • 皮秒(ps):10-12 秒
  • 奈秒(ns):10-9 秒
  • 微秒(µs):10-6 秒
  • 毫秒(ms):10-3 秒

參考資料:

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顯微觀點_96
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從細微的事物出發,關注微觀世界的一切,對肉眼所不能見的事物充滿好奇,發掘蘊藏在微觀影像之下的故事。