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以電晶體模仿細胞

only-perception
・2011/10/01 ・1800字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 588 ・九年級

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當這個世界已變成較少類比且較多數位的時候 — 如錄音座與電視天線已被 MP3 播放器與串流影片所取代 — 電機工程師的思考習慣也跟著改變。在類比世界中,他們絕大部分都習慣就數量來思考,例如電壓,那是連續的,意指他們能採用無限範圍的值。現在他們傾向以 0s 與 1s 思考,數位邏輯的二元對立(binary oppositions)。

自人類基因組計畫(HGP)完成以來,二種欣欣向榮的學門 — 合成生物學(synthetic biology)與系統生物學(systems biology) — 已從觀察中浮現,在某方面上,導致蛋白質在細胞內製造的化學反應順序,看起來很像電子電路。一般來說,二種領域中的研究者傾向就二元對立來分析反應:若存在某種化學反應,就會發生某件事;若化學物質不存在,就會發生不同的事。

但 Rahul Sarpeshkar(MIT Research Laboratory of Electronics,RLE,的電機工程副教授)認為,那是錯誤的方向。”在細胞內的訊號並非 1 或 0,” Sarpeshkar 表示。”那是一種過度簡化的抽象化,那是對於細胞能做什麼事,最初的、粗糙的、有用的粗略估計。不過每個人都知道,那真的是錯的。”

在 11 月於 San Diego 舉行的 Biomedical Circuits and Systems Conference 上,Sarpeshkar、研究科學家 Lorenzo Turicchia、博士後  Ramiz Daniel 與畢業生 Sung Sik Woo(這些都屬於 RLE),將針對一份論文進行簡報,在其中,他們使用類比電子電路來塑模細胞內蛋白質與 DNA 間,二種不同類型的交互作用。這些電路以非凡的準確度來模仿細胞的行為,但更重要的是,他們辦到這件事所用的電晶體數量遠少於數位模型所需要的數量。

這項研究或能指出生物系統的電子模擬方向,那在製作上不僅更簡單,且更精確外,運作還更有效率。那亦指出一種新的框架,用以分析及設計統御細胞行為的生化過程。

模糊地帶(Shades of gray)

電晶體基本上就是一種開關:當它開啟時,它會導電;當它關閉時,它就不會。在一個電腦晶片中,這二種狀態代表 0s 與 1s。

但是在不導電與導電態之間移動時,電晶體會經歷過中間的每種狀態 — 輕微的導電性、中等的導電性、完全的導電性 — 就好比一輛車從 0 加速到 60 時,會經歷過中間每種速度。因為電腦晶片中的電晶體預期要進行二元邏輯運算,所以它們被設計成使這些過渡狀態不可偵測。但 Sarpeshkar 等人正是要利用它這種過渡狀態。

“譬如,這個細胞是製造胰島素的胰細胞,” Sarpeshkar 說。”那麼,當葡萄糖上升時,它會想要製造更多胰島素。但,那並非大霹靂。如果葡萄糖上升更多,它就會製造更多胰島素。如果葡萄糖下降一點,它就會至造少一點。那是梯度。那不是邏輯閘。”

把它當成一個類比裝置對待,一個電晶體擁有範圍無限的可能導電性,因此,它能夠塑模一種範圍無限的化學濃度。但是把它當一個二元開關對待時,電晶體只有二種可能的狀態,故塑模大量且範圍無限的濃度時,將需要一卡車電晶體。對於塑模細胞內之循序反應的大型電路而言,二元邏輯很快就會變成無法管理的複合體。但類比電路不會這樣。事實上,類比電路利用的相同類型物理現象,使細胞機器一開始就這麼有效率。

“如果你想一想,電子裝置是什麼?” Sarpeshkar 說。”那是電子的運動。那麼化學呢?化學是關於電子從某個原子或分子移動到另一個原子或分子。它們必定有深刻的連結:它們都與電子有關。”

驗證(Validation)

為了他們的新論文,RLE 研究者們完成他們自己的生物學實驗,測量細胞內二種不同蛋白質逐漸增加濃度的效應。二種蛋白質都會刺激細胞開始製造其他蛋白質,但它們以不同方式辦這件事:其中之一與一股 DNA 結合,並導致細胞開始製造某種特殊蛋白;另一個則使某種蛋白質鈍化,那種蛋白抑制了某種蛋白質的製造。

Sarpeshkar 等人能使用電路來塑模這些過程,而且每種過程只用八個電晶體。此外,這些電路結果證明正好形成彼此的鏡像,代表了「直接活化蛋白質製造」以及「使某種(鈍化他者的)鈍化劑鈍化」之間的差異性。最後,這些電路在塑模基因與蛋白質的交互作用上有著驚人的準確度。

“利用單一電晶體來實作整個等式的概念,無疑是種進步 — 那如果在數位電腦上實作,將用掉好幾行程式碼,而且如果你往設備裡面看,那將會是數百萬個電晶體,” Gert Cauwenberghs 表示,UCSD 一位生物工程與生物學教授。”生物系統中極端的變異性,以及該系統仍能有彈性地應付變異性,暗示著,類比電路,那與熱力學原理有些類似,且內含雜訊,將是一個良好的實作平台。”

Cauwenberghs 告誡,為了對生物學有用,一個遺傳迴路的類比模型得要比 RLE 研究者的那一套還要更加複雜許多。建立這樣的模型,他說,在產生有關細胞內化學濃度的準確資料上,生物學家要完成的研究與電機工程師一樣多。但 “那無疑是這二個領域間的綜效,” 他說。

資料來源:PHYSORG: Mimicking cells with transistors [September 28, 2011]

轉載自 only-perception

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only-perception
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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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鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2022/11/01 ・2113字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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合成生物學是什麼? 原來這也能參加比賽!?ft. 中興 iGEM 競賽團隊【科科聊聊 EP60】
PanSci_96
・2021/10/05 ・1306字 ・閱讀時間約 2 分鐘

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簡單的說,「合成生物學」就是把巧妙設計的基因片段放到細胞裡,讓細胞呈現出你想要的樣態、行為與產物!不過你知道這個技術原來可以參加國際比賽嗎?一年一度的國際合成生物學比賽 International Genetically Engineered Machine,簡稱 iGEM ,來自世界各地的團隊,運用合成生物學解決各種技術難題與社會議題!

本集泛泛泛科學就由中興大學 iGEM 團隊和大家談談他們參賽的經驗和想法。快來一起了解合成生物學以及 iGEM 競賽吧!

  • 1:53 什麼是「合成生物學」?

合成生物學就是透過將一段基因的片段或其他內容,將其經過設計後送至細胞內,並期望細胞能夠表現出特定的樣態、行為與產物。希望透過這樣的技術處理現今的技術難題與社會議題。

延伸閱讀:未來的生物科技發展方向—合成生物學

延伸閱讀: 合成生物學:基因「混搭」掀起的新革命! ──《人類大未來》

  • 5:33 參加 iGEM 不一定要生科系,團隊需要跨領域的人才組成
  • 10:12 為什麼想加入 iGEM?
  • 14:46 iGEM 是什麼?

 iGEM,全名為 International Genetically Engineered Machine。從 2008 年開始,每年都會舉行,所以是已經舉辦了 13 屆的國際合成生物學比賽。每年平均有來自 40 多個國家,約 300 多個隊伍參與這場盛事。在臺灣,除了有固定幾所大學會參與比賽外,也有些高中會一同參與此比賽。而 iGEM 的宗旨,主要是希望可以藉著推廣合成生物學,讓不同團隊在集思廣益想出的好點子,可以最終實際應用到社會中,來解決各式各樣的難題。

NASA Ames 研究中心的合成生物學研究。圖/WIKIPEDIA

延伸閱讀:International Genetically Engineered Machine

延伸閱讀: 中興大學生命科學院舉辦2020 iGEM 基因工程競賽暨交流會

  • 17:55 受疫情影響改成線上比賽的優點與缺點
  • 21:19 讓團隊印象深刻的研究
  • 25:50 今年中興團隊的研究

為解決廢棄稻桿問題,取代台灣傳統上燃燒稻桿的做法。團隊研究兩種菌株:一種用來將稻桿轉化為醣類發酵液;另一種則產生促進微生物及植物生長的 PQQ,希望最終能達到循環農業的目的。

  • 34:20 研究中碰到的困難
  • 49:38 追蹤興大 iGEM 粉專:NCHU iGEM Team,參加招生說明會!
PanSci_96
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用錯使用方法,漂白劑也會出人命?請注意,盡量不要「混搭」清潔劑!
阿咏_96
・2020/12/18 ・3364字 ・閱讀時間約 7 分鐘 ・SR值 512 ・六年級

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今年八月時,有新聞指出,一位英國女子西摩(Leah Seymour)在打掃浴室時,將馬桶清潔劑與漂白劑混合一起使用,幾分鐘後出現強烈氣味,導致她氣喘發作,失去意識,送醫後宣告不治身亡。

什麼!漂白劑不是我們生活中常用來消毒的好朋友嗎?到底發生了什麼事?漂白劑真的這麼危險嗎?以後是不是就別用了?

修但幾勒!

在恐慌蔓延之前,我們必須先來了解漂白劑究竟是何方神聖,又是如何作用的。

別只會唱愛情轉移,你知道電子轉移嗎?

我們日常使用的漂白劑,通常是透過氧化還原反應將顏色去除或變淡,除了漂白的功能之外,也可以用來消毒殺菌。

漂白水是我們消毒環境、清洗衣物的好幫手。圖/Pixabay

氧化還原反應指的是過程中發生電子轉移的化學反應,例如以下這個鎂和氧化銅的反應式: 

Mg+CuO → MgO+Cu

我們可以把 鎂 Mg 想像成是一位財大氣粗的火爆小子,而 銅 Cu 是個性溫和的好好先生,有天他們倆相遇了,鎂對銅表示想買下他的情人 氧 O,急躁的鎂不管銅的意見,就把錢(也就是電子)付給他,同時也把氧搶走了,於是鎂就把氧佔為己有,而銅得到了錢財,變回孤身一人。

在氧化還原反應裡,不同角色有各自的稱呼和招式,把電子付給別人的火爆小子稱為「還原劑」,招式為「還原」,讓別人變回孤身一人;得到電子的好好先生為「氧化劑」,招式為「氧化」。

大家不妨猜猜看,圖中的 H 和 F 之間,誰是火爆小子,誰又是好好先生呢?圖/Wikipedia

然而,好好先生與火爆小子的身份並非永遠不變,也就是說「沒有最火爆,只有更火爆」,未來當鎂遇到比他更財大氣粗的人時,手上的氧也會被「買」走,而銅遇到比他更溫和的人時,也可能會買別人的氧。

而這種急躁又霸道的性格,稱之為「活性」,也就是說活性越大的元素,性質越活潑,越急著把錢(電子)塞到別人手裡、買走氧,不過,他們把氧買走後,就會「浪子回頭」,個性變得比較收斂,性質更為安定。

拿~麼厲害!漂白劑原來是轉移高手

接著回到故事主線,漂白劑的種類可以依據在漂白過程發生的氧化還原反應中擔任的角色來區分:若在反應裡擔任氧化劑者,稱為「氧化型漂白劑」;若擔任還原劑者,稱為「還原型漂白劑」。

平時我們較常接觸到的是氧化型漂白劑,而氧化型漂白劑通常可以再分為兩類:氯系漂白劑氧系漂白劑

你用的是氯系,還是氧系漂白劑呢?圖/Wikipedia

這邊即將登場的是:氯系漂白劑

氯系漂白劑含有次氯酸鈉(NaClO),溶在水中會解離成次氯酸離子(ClO)和鈉離子(Na+),當次氯酸離子(ClO)與水反應後,會轉變為弱酸性的次氯酸(HClO),但鈉離子(Na+)與水反應後,會變成強鹼性的氫氧化納(NaOH),因此使水溶液變成弱鹼性。

次氯酸(HClO)就是典型的好好先生,很容易得到其他物質的電子,也就說能夠氧化許多的物質,透過氧化就可以破壞細菌的細胞機能,最後導致細菌死亡。而漂白的功能也是因為氧化了含有顏色的化合物而造成褪色。

不過,漂白水的原液只含微量 HClO 分子,加水稀釋後 HClO 的比例會提高,此時才具有比較好的消毒殺菌效果。

什麼?跟清潔劑一起用ㄟ出代誌?!

然而,如果以不正確的方式使用氯系漂白劑,可能會對我們的健康造成危害!

使用漂白水的時候,有些人會加上「比較好聞」的清潔劑,或是跟其他強效清潔劑混合,希望可以藉此達到更好的清潔效果。

請小心!如果將漂白水和其他清潔劑混合,很有可能產生危害人體的物質。

許多香精油、清潔劑中,都可能含有檸檬烯。圖/Pixabay

加拿大多倫多大學 2019 年的研究發現,當我們在室內環境使用氯漂白劑溶液時,容易釋放出氣態的次氯酸(HOCl)和氯氣(Cl2),由於兩者都是強氧化劑,因此它們會和清潔劑中的揮發性有機化合物——檸檬烯(limonene)產生反應。

檸檬烯是最豐富的揮發性有機化合物之一,許多我們的日常用品有它的存在,例如個人護理產品、清潔用品、空氣清新劑等。

檸檬烯本身是無毒的,在不同的室內條件下,檸檬烯可以與臭氧或其他氧化劑反應,生成顆粒,例如它和氫氧自由基可以快速進行反應。

他們觀察到,在室內日光燈或陽光的照射下,檸檬烯會與次氯酸、氯氣發生反應,並在室內產生大量的粒子,接著他們用氣膠儀質譜法(Aerosol mass spectrometry)分析這些粒子後,發現這些例子大部分都是含氯的顆粒,吸入身體後可能對肺功能或氣管造成負面的影響 4

光照之下,在透明的空氣中可能發生了許多你完全察覺不到的化學反應!圖/Pixabay

然而,我們也不能完全把責任都推給檸檬烯。

事實上,當氯漂白劑溶液釋放出次氯酸(HOCl)和氯氣(Cl2)後,在光的照射下註1,很容易被分解為氫氧自由基及氯原子,它們倆也是強氧化劑,可以與許多室內揮發性有機化合物反應,產生氯化物,甚至有助於形成二級有機氣溶膠(SOA),可能會危害人體的呼吸系統健康 5

雖然這些顆粒的成分、對健康的影響程度還需要進一步研究,但我們仍然可以知道,這些光解作用、氧化反應形成的產物,對人體健康具有一定的風險。

使用漂白劑前,三件最重要的小事

次氯酸鈉在我們的生活中扮演著重要的角色,游泳池、廁所乃至於免疫系統,都可以發現它的存在。

然而如同歌詞裡說「水能載舟,亦能煮粥」,次氯酸鈉帶來便利的同時,也伴隨著其他風險,為了避免更多因誤用而造成的悲劇,我們必須了解如何安全的使用漂白劑,以下為大家整理了和次氯酸鈉平安共處的 3 大守則!

  1. 禁止飲用與避免觸摸

次氯酸鈉之所以能「消毒殺菌」,是因為具有一定的生物毒性,如果誤飲可能會造成中毒,在使用次氯酸鈉進行清潔時,最好戴上口罩及手套,避免直接接觸喔!

請盡量戴上手套、口罩,避免與清潔劑零距離的接觸。圖/Unsplash
  1. 避開陽光及高溫

如同剛剛的研究提到,次氯酸鈉遇到光或熱會被分解成有毒的氯氣,因此平常不使用時要保存在陰涼處,也不要搭配熱水使用。

  1. 避免與清潔劑混合

除了上面提到的檸檬烯以外,其實清潔劑裡還含有其他物質,會跟次氯酸鈉反應生成氯氣或其他對人體有不良影響的化學物質。

即使上述這些注意事項看起來都是常識,卻非常容易被大家忽略!請大家務必謹慎、聰明地使用,才能讓我們在享受潔淨空間的同時,避免意外的發生!

註解

  1. 這項研究的實驗是在只有朝北窗戶的房間內進行的,他們推測窗戶接收陽光較多的房間會有更迅速的光解反應。

參考資料

  1. Wang, C., Collins, D. B., & Abbatt, J. P. (2019). Indoor illumination of terpenes and bleach emissions leads to particle formation and growth. Environmental Science & Technology, 53(20), 11792-11800.
  2. Yahoo新聞:「漂白水+清潔劑」刷浴室 她聞刺鼻味倒地……4天後亡
  3. 香港政府一站通:漂白水的使用
  4. Das, R., & Blanc, P. D. (1993). Chlorine gas exposure and the lung: a review. Toxicology and industrial health, 9(3), 439-455.
  5. Gaschen, A., Lang, D., Kalberer, M., Savi, M., Geiser, T., Gazdhar, A., … & Geiser, M. (2010). Cellular responses after exposure of lung cell cultures to secondary organic aerosol particles. Environmental science & technology, 44(4), 1424-1430.
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阿咏_96
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