0

5
3

文字

分享

0
5
3

左旋還是右旋?化學對稱跟你我的身體有關!

賴昭正_96
・2015/09/25 ・5864字 ・閱讀時間約 12 分鐘 ・SR值 583 ・九年級

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

文 / 賴昭正

如果你想得諾貝爾獎,這裡有一大片的肥沃土地等你去開發。

chemistry-740453_1280

所謂的「化學反應」,指的是原子核外之電子的重新排列組合,因此可以說化學反應其實是電磁作用的結果。而其他物理學家所發現的作用力,包括重力、弱作用、及強作用力,在化學研究上則可以忽略不計。

在筆者另一篇文章《對稱與物理》一文裡[1],筆者談到了馬克士威的電磁理論不但有許多時間與空間轉換的對稱,還具有電荷對稱(C)、鏡像對稱(或稱「宇稱性」,P)及時間對稱(T)。化學既然是電磁作用的結果,因此毫無疑問地也應具有這些對稱。所以不像物理,在化學上應該沒有什麼破壞對稱的問題。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

雖然如此,但這並不意味著化學中的對稱就不會失去平衡。在《對稱與物理》文中雖然提及:所有物理定律均具電荷對稱,因此宇宙中應具有等量的物質與反物質才對,可是我們所看到的宇宙卻全為物質所覆蓋著:失去了物質與反物質的平衡。化學上是否也有類似的失衡問題呢?

互為左右手:鏡像異構物

鏡像對稱的化學概念則是像左、右手的關係一樣。例如下圖中,說碳原子(C)形成四面體時的結構。碳具有四鍵價,能與其它四個原子或化學基形成以它為中心的四面體。如果此四原子或化學基完全不同,則可形成像左、右手一樣,無法重疊的兩種鏡像異構物(enantiomer),例如生物體中不可或缺的胺基酸,即是一種以碳原子為中心的四面體鏡像異構物。

胺基酸的結構,即是一種鏡像異構物。它們彼此像是鏡中影像的關係,但3D結構上並不是同一種化合物。關於胺基酸,於下段會有詳細的說明。

不管怎麼轉,這兩個四面體像左、右手一樣,長得很像,但終究是無法重疊的!以下圖為例,不管X、Y、Z、W是什麼長相、多麼複雜的化學基,因為所有原子的相對位置完全相同,我們實在沒有任何理由相信左邊的結構會比右邊的結構穩定或容易生成——實驗室的結果也證明確實是如此。因此在自然界中,它們的出現與存在的或然率應該是完全相同的!

螢幕截圖 2015-09-23 17.40.41

同樣的道理,在外界環境不具任何對稱時,鏡像異構物的一般物理及化學性質也應均是相同的:例如具有相同的凝固點及化學反應速率。但是在與其它鏡像異構物作用時,它們就有反應發生難易的選擇性與差異,正如同適合左腳的襪子穿在右腳上就顯得彆扭一樣。但這選擇性應不會破壞化學反應之鏡像對稱(P):正如左手用左手套與右手用右手套一樣,兩者均同樣可能發生、且具同樣的反應速率。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

早期化學家將鏡像異構物因其與極化光作用的不用,而分別冠以右旋(d╶式,dexterotatory)與左旋(l╶式,levorotatory)兩種。但現在都以與甘油醛之立體結構相比,而冠以「D╶式」(右式,dexter)及「L╶式」(左式,laevus)來區別具有鏡像對稱之的鏡像異構物,與實際對極化光之右旋或左旋已沒有直接的關聯了。

如前所述,實驗室中合成的鏡像異構物均應具有等量的「D╶式」與「L╶式」-―稱為「外消旋混合物 」( racemic mixture 或 racemate)。同樣地,科學家也都認為宇宙中的所有化合物,都是在宇宙的演進中慢慢由原子合成的,因此宇宙中的鏡像異構物,也應該全是外消旋混合物(D / L平衡)。

生物體的鏡像失衡

蛋白質在生物體的功能上佔有非常重要的地位,參與了新陳代謝的催化、DNA的複製、外界刺激的反應、分子在體內的傳遞······等等。蛋白質是胺基酸脫水而連結起來的複雜大分子,而組成蛋白質的胺基酸基本的結構圖示如下:

螢幕截圖 2015-09-23 17.50.12

因R基的不同,我們可以得到不同的胺基酸。已知的胺基酸大約有五百多種。除了R為一顆氫原子(H)的情形外,所有其它的胺基酸都應存在稱為「D╶式」與「L╶式」的兩種鏡像異構物。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

如前所述,這兩種鏡像胺基酸在宇宙的進化中應隨時保持等量的平衡,因此由它們脫水組合而成的蛋白質也應具有等量的「D╶式」與「L╶式」胺基酸才對。可是科學家卻發現地球上的生物體中的蛋白質,幾乎清一色全是由「L╶式」胺基酸組成的!怎麼會這樣呢?

而且,事實上不只蛋白質有這種失衡的問題,組成主要遺傳物質的DNA分子也有類似的失衡現象。DNA的骨架是由磷酸根(phosphate, P)及去氧核糖(deoxyribose, S)脫水連結而成的大分子:

螢幕截圖 2015-09-23 17.53.22

氧核糖是由五個碳原子成環的分子,因此也具有稱為「D╶式」與「L╶式」的兩種鏡像異構物。奇怪的是:地球上生物體的DNA幾乎也是清一色地由「D╶式」氧核糖組成的!這又是為什麼呢?

生物體的效率

談到DNA,在此順便提一提與失衡沒有直接關係,但與對稱卻有點關係的另一生物謎題。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

對稱代表簡潔。宇宙乍看之下千變萬化,非常複雜;但物理學家已瞭解到它的基本構造基本上是具有非常簡單、漂亮的對稱性質。對稱儼然已是近代物理用來探討自然界定律的一個主要工具,它甚至可決定物理定律的形式[2]。

640px-DNA_chemical_structure_2.svg
DNA上四種可能的含氮鹼基(上色處)。Source: wikipedia

組成DNA大分子的基本單位為核苷酸,依照上面所接的含氮鹼基差異而有四種類型:胞嘧啶(cytosine, C)、胸腺嘧啶(thymine, T)、腺嘌呤(adenine, A)、鳥嘌呤(guanine, G)。它們靠氫鍵與另一DNA長鏈結合成眾所皆知的雙螺旋DNA[3]。現在,我們已經知道遺傳碼(genetic code)是由三個核苷酸組成一個單位,告訴身體碰到這個遺傳碼時,應該要合成那一種胺基酸。

4437495247_8a3dc86d5d
遺傳碼對應合成之胺基酸的圖表,最外圈的英文字母代表著指導合成出的胺基酸種類或指令。Source: Duncan Hull @flickr

四種核苷酸,再加上三個核苷酸組成一遺傳碼因此應該有64(43種不同的遺傳碼來指導 64 種胺基酸的合成才對;可是胺基酸雖有 500 種之多,但實際上許多不同的遺傳碼卻指導了同一種胺基酸的合成,而我們身上的蛋白質只用了20 種胺基酸!

愛因斯坦曾說:我想知道上帝如何創造這世界。我對這個或那個現象、這個或那個元素的光譜沒興趣。我想知道祂的思考,其它的都是細節。」許多科學家與哲學家也都想了解上蒼為什麼那麼笨手笨腳、沒有效率呢?進化不是去蕪存菁、有效地利用周遭的自然資源嗎?

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

為什麼鏡像異構物會失衡呢?

因為基本作用力具有對稱性,所有不同之鏡像異構物均應等量出現與存在,那麼是什麼機制在進化之前、或進化的過程中破壞了此一平衡,造成某一類鏡像異構物能夠脫穎而出、成為地球上生物體的鏡像異構物唯一形式呢?現代的理論甚多,我們在此只能選幾個較有趣的來談談。

在許多理論中,最有趣的應首推「生命起源於外太空」。1969年,一顆大隕石墜落在澳洲的默奇森(Murchison);科學家檢驗它的化學成分後,發現其胺基酸含量不但失衡,其L╶式也像地球上之生物組成一樣,比R╶式還多!此後所發現的隕石也大都是如此。

因此,許多科學家不但認為這正可解釋我們今日在地球上所看到的現象,他們甚至更認為這是「生命起源於外太空」的一個強而有力的證據,遂而建立了一支「宇宙祖先」(Cosmic Ancestry)學說。在「宇宙祖先」的理論中,有些科學家認為胺基酸是在彗星塵埃中形成的;而胺基酸之所以失衡,則是因為星際間的輻射含有17%的圓偏極化。

Murchison-meteorite-ANL
默奇森隕石(Murchison meteorite)及試管中自其分離出來的內含物。Source: wikipedia

我們知道從遠處來看,水面總是平靜無波,但近看則是小波起伏不斷;這些小波在物理學上屬於無規律變動(random fluctuation),存在於任何由許多分子組成之物理體系裡(事實上即使在真空裡也存在)。這些無規律變動造成短暫的局部對稱性的破壞失衡;但因物理體系最穩定的自然狀態總是具對稱的,因此這種失衡均是瞬間出現而立即消失。可是如果鏡像異構物具有自動催化機制,或正好碰上某一外在因素,則這一短暫的瞬間失衡可能因此被加強放大,而導致我們今日所觀測到的巨觀失衡――這有點像基本粒子理論中的「自發性對稱破壞」[1,2]。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

此一「自發性對稱破壞」的兩大缺陷是:

  1. 是什麼外在因素或自動催化機制呢?
  2. 這些瞬間失衡均是局部性且隨機的,因此怎麼可能整個地球的生物全是一樣的呢?

自從楊振寧與李政道發現左、右手對稱不守恆後,當然馬上有科學家想到生物之胺基酸的失衡或許也正是起因於此。事實上實驗也顯示自旋極化的電子是較容易離子化某一類鏡像異構物;不僅如此,實驗上更証明了此一離子化作用較容易破壞「D╶式」胺基酸!

只是各種計算及實驗均顯示,這種失衡的比率在2%以下;因此許多科學家懷疑這麼小的比率可以壓過物理體系隨時想回到最穩定之自然對稱狀態,而造成今日之那麼大的不平衡―-很像已知之CP對稱破壞程度一樣,還不足以說明我們所觀察到的宇宙物質與反物質的不平衡[1]。包括中性弱作用[2]在的計算也顯示「L╶式」胺基酸的能量比「D╶式」胺基酸低,「D╶式」的能量也比「L╶式」低,只是其差值均實在太小了,不足以說明今日之那麼大的不平衡!

因統一電弱作用而得諾貝爾獎的薩拉姆(A. Salam),對此提出他的見解:此一微小的能量差可因波色-愛因斯坦冷凝(Bose-Einstein condensation;[4])而被放大,在大約250K的溫度時產生相變,將能量較高點之「D╶式」胺基酸改變成「L╶式」胺基酸。實驗資料好像顯示確有這種破壞宇稱性的相變可能,可是爭論也不少。但因在生物出現前,地球的溫度一直遠高於此一相變溫度;因此如果真有此一相變,或許生命真的得是起源於外太空?

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

以上的理論都是將生物胺基酸的失衡,歸咎於化學或物理的外在因素,而不是進化與生存競爭的必然結果。或許今日的生物失衡根本就是演化的結果?或許失衡根本就是演化所必要的條件――分子之間的「個體差異」?

DNA_Repair
蛋白質作為酵素能夠幫助DNA分子複製,並協助除錯的工作。Source: wikipedia

DNA與蛋白質的一個不同點是前者可以自己複製;可是如果沒有蛋白質作為酵素的催化效果,此一複製不但沒效率,還會錯誤百出。可是蛋白質的合成不是須靠DNA的遺傳碼嗎?因此就衍生出形同「雞先生蛋、還是蛋先生雞」的疑問。

然而,由DNA轉錄出的另一種核苷酸長鏈分子--RNA,它像DNA一樣,可以儲存及傳遞基因信息;不但如此,1982年科學家發現它們比DNA還厲害,也能像酵素一樣催化化學反應時,許多分子生物學家開始相信它們或許可以催化它們自己的合成,避開「雞生蛋、蛋生雞」的問題迴圈,作為生命演化的源頭-―也就是「RNA世界假說」(RNA World hypothesis)。

1984年,當丘依斯(A. Joyce)還是位研究生時,他發現「D╶式」RNA雖然可以非常快地在「D╶式」成份中複製,但在外消旋混合物中卻完全停頓!此一發現顯然挑戰了RNA世界的假說、並證明了失衡必須在生命現象出現之前發生。但現在,已經在斯克里普斯研究所( The Scripps Research Institute)任教的丘依斯並不輕言放棄RNA世界假設的想法,後來終於在2014年找到了可以在外消旋混合物中複製純種RNA的RNA酵素(Ribozyme):「D╶式」RNA複製出「L╶式」RNA,複製出的「L╶式」RNA又可用來複製出「D╶式」RNA······。此一發現不但重新燃起了「RNA爲生命之開始」的希望,以及失衡是在生命現像出現後發生的理論;他甚至認為在實驗室中合成生命的日子可能不遠了。但是,「為什麼只有「D╶式」RNA生存下來呢?」,這個問題他們還得要好好想想怎麼解答。

遺傳碼這麼多,為何只有少少種胺基酸?

為什麼許多不同的遺傳碼指導了同一胺基酸的合成呢?此稱為「基因碼退化」(genetic code degeneracy)的研究比想瞭解失衡的理論少得多。當然,一個可能的解釋是「巧合」;但筆者認爲這不「說服力」,因此擬在此略談最近的一項研究結果。

2012年由哈佛大學及芝加哥大學組成的研究團隊(A. Subramaniam, T. Pan, 及 P. Cluzei)在研究大腸菌的基因碼退化時發現:在胺基酸充分的外在環境下,這些「異碼同族」(cognate)對蛋白質的合成能力完全一樣;但在胺基酸不足的惡劣環境下,它們的行為就出現差別。顯然「異碼同族」是多記載了些資料來應付進化中所可能遭遇到的不同惡劣環境―-正像為了偵測與修正錯誤,數位信息的傳遞必須加入些「多餘」的資料一樣[5]!如果真是如此,那「基因碼退化」就是演化與生存競爭的必然結果了。

待解的問題,還多得很······

地球上的生物體幾乎全含碳原子,因碳具有四價,能與四種化學基結合;如果此四種化學基不同,則可形成像左、右手一樣,無法重疊的兩種鏡像異構物。從化學與物理來看,這兩種鏡像異構物的合成與存在應該都是對稱的(相同的);可是爲什麼地球上的生物,其蛋白質幾乎清一色地由左式胺基酸組成的呢?同樣地,爲什麼地球上的生物,其DNA幾乎清一色地由右式氧核糖組成的呢?

還有,雖然已知的胺基酸有500多種,但生物體內的蛋白質卻只用了20種胺基酸;更令人不解的是:爲什麼DNA卻用了64種密碼來選用這20種胺基酸呢?

基本化學與物理具有很高的對稱性,可是生物好像不怎麼遵守對稱性的美與效率―正好與愛因斯坦相反(他創世紀的發現都是建基於深信上帝也愛對稱性的美與效率,[6])。爲什麼呢?如果你對自然科學有興趣,且想得個諾貝爾獎揚名天下、爲國爭光,那這裡還有很多待解的問題在等著你!

參考資料:

  1. 對稱與物理(科學月刊2010年三月號)
  2. 規範對稱與基本粒子(科學月刊2014年十一月號)
  3. 奇妙的水分子(科學月刊1979年元月號)
  4. 量子統計的誕生(科學月刊2015年一月號)
  5. 錯誤訊息的偵測與修正(科學月刊2009年三月號)
  6. A. Zee: Fearful Symmetry(2007年;台灣有譯本 )
文章難易度
賴昭正_96
42 篇文章 ・ 50 位粉絲
成功大學化學工程系學士,芝加哥大學化學物理博士。在芝大時與一群留學生合創「科學月刊」。一直想回國貢獻所學,因此畢業後不久即回清大化學系任教。自認平易近人,但教學嚴謹,因此穫有「賴大刀」之惡名!於1982年時當選爲 清大化學系新一代的年青首任系主任兼所長;但壯志難酬,兩年後即辭職到美留浪。晚期曾回台蓋工廠及創業,均應「水土不服」而鎩羽而歸。正式退休後,除了開始又爲科學月刊寫文章外,全職帶小孫女(半歲起);現已成七歲之小孫女的BFF(2015)。首先接觸到泛科學是因爲科學月刊將我的一篇文章「愛因斯坦的最大的錯誤一宇宙論常數」推薦到泛科學重登。

1

0
1

文字

分享

1
0
1
被垃圾科學耽誤的人生:哈沃德的冤獄與平反——《法庭上的偽科學》
商周出版_96
・2024/01/04 ・4615字 ・閱讀時間約 9 分鐘

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

紐約市沃斯街四十號,無辜計畫

哈沃德的故事:因被冤枉身陷囹圄三十四年

基思.艾倫.哈沃德可以說是一名倖存者。他被維吉尼亞州錯誤定罪,但是逃過死刑執行。而且還是兩次。梅克倫堡矯正中心在一九八四年爆發了所謂的「大逃亡」(The Great Escape)1,那是有六名死囚越獄的空前維安漏洞,哈沃德面對其後的嚴密禁閉也倖存了下來。哈沃德面臨過殘酷的獄警、僅存的希望全被澆熄、父母的死訊,他的身分也被侵蝕到只能淪為 1125797 號罪犯,但是他倖存了下來。

他在維吉尼亞州刑罰體系中所有最嚴酷的監獄裡倖存下來了,先是梅克倫堡,接著是奧古斯塔(Augusta),然後又在蘇塞克斯二監(Sussex II)待了十年,還有現在的諾托韋,他在諾托韋那樣環境惡劣的監獄醫務室裡進行了重大的腸道手術,並且活了下來。雖然很勉強。

圖/unsplash

在被錯誤監禁的三十四年裡,哈沃德排的這條等待救援的隊伍從未向前移動。大量監禁讓他身邊的囚犯如雨後春筍般湧現,因此這條隊伍只會越排越長。他最初因為傑西.佩隆的入室謀殺案和對他妻子特蕾莎.佩隆的性虐待案而被關到梅克倫堡時,維吉尼亞州每十萬名居民中有大約一百五十人遭到監禁。

當我們發現特蕾莎用過的性侵採證套組、把它送去做 DNA 檢驗時,維吉尼亞州的監禁率已經超過每十萬名居民有四百五十多名囚犯,每十萬名黑人居民則是超過兩千四百人。2在那個看不見的國度裡,到底住著多少無辜的 1125797 號囚犯,我們不會知道。但是統計顯示,在維吉尼亞州和全國有數千名無辜的人被關在牢裡;他們大部分人都永遠不會再拿回他們的名字了。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
圖/unsplash

維吉尼亞州剝奪了哈沃德生命中的每一個里程碑。他沒能結婚,沒有小孩,沒有做過除海軍之外的其他職業。他在二十幾歲之後,除了監獄檔案的照片,就只有一張自己的照片。他具有指標意義的生日,三十歲……四十歲……五十歲……六十歲,都是在鐵牢裡度過的,他只是沒死而已。

事情一開始不是這樣的。他也曾經奮鬥過。他從獄中出庭為自己辯護一事,曾經讓他的有罪判決遭到撤銷。為他贏來一次重新審判的機會、再一次讓真相大白的機會。但是當陪審團第二次做出有罪判決、上訴法院也維持這個裁決時,哈沃德體內的鬥志突然被掏空了。他決定放棄,讓餘生都在監獄裡度過。就像他有一次對我說的:「我就待在牢裡等死算了。」

重新審判:不可靠的咬痕證據

就訴訟而言,二○一六年發現了性侵採證套組,州也同意進行檢驗,這使得前進的道路變得清晰。哈沃德和史蒂夫.錢尼不同,他不需要維吉尼亞州法院或是其他法院承認咬痕證據完全不可靠。他不需要新法律或是定罪完善小組就可以重返法庭。也不需要當初把哈沃德的牙齒和特蕾莎.佩隆大腿上的咬痕「配對」的六名牙醫取消他們的證詞。

圖/unsplash

哈沃德很幸運:他有 DNA 。檢測開始之後,就會像是一顆小圓石被丟出來,滾下山坡引起 被壓住的真相一波又一波的雪崩。其規模之大,會讓哈沃德甚至不需要重回法庭。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

他幾乎立刻就被排除在可能的嫌疑人之外,也就是說所有檢驗項目,包括性侵採證套組、凶手蓋在特蕾莎頭上的尿布,以及她被性侵時的沙發墊,上面的生物證據都不可能是他的。

我的辦公室裡傳來更多歡呼聲。這種感覺不同於最初發現物證箱時的那種驚喜。是好消息,但也是預期中的結果。無辜計畫法律團隊的每個人都相信基思.哈沃德是清白的,也都知道他是清白的。

圖/unsplash

之前在訴訟中移交的文件就已經證明了:刑事專家不實宣稱在犯罪現場收集到的血清證據,根據在 DNA 之前的血型技術無法確定。其實在審判之前就可以將哈沃德排除在取樣之外了。後來他又被排除在 DNA 證據之外,就是理所當然的了。

接著,我們得知 DNA 分析人員可以從保存的生物樣本中發展出完整的基因輪廓。這表示除了可以排除哈沃德是 DNA 的來源,甚至還有可能得知到底是誰的 DNA ;不同於史蒂夫.錢尼案中的 DNA 已經受到毀損,只能夠做到排除錢尼。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
圖/unsplash

從每一件證據中提取的 DNA 輪廓都沒有更新的資訊。它們都來自同一名男性,既不是基思.哈沃德,也不是特蕾莎的丈夫傑西。反而是一名陌生人把他的 DNA 留在整個犯罪現場。發現證據的位置和特蕾莎的證詞完全一致,因此顯得更有說服力,這份證據也與哈沃德自己的陳述一致;哈沃德說他從來沒有進過佩隆家。

證人誤認是錯誤定罪一大主因?

這在大多數州就足以推翻有罪判決了。但也還是有可能出現荒謬的「沒被起訴的共同射精者」理論。不過,這個案件中有一名受害者還活著。特蕾莎強忍著痛苦和性侵她的人共度了三小時。她知道那天晚上只有一個入侵者。一名殺了她丈夫的凶手。一個「咬了她的人」。

圖/unsplash

早在 DNA 排除哈沃德之前,特蕾莎本人就為哈沃德的清白提供了最有說服力的證據:她拒絕指認哈沃德。哈沃德是因為咬了他的女朋友而被逮捕,而且還戴著手銬,在這樣容易誤認的情境中,特蕾莎都沒有指認哈沃德就是毀了她家庭的那名水手。

她的這個立場在兩次審判中都沒有絲毫動搖。許多犯罪受害者很可能會接受暗示,或是不論有意或無意,急著指認被警方確信是凶手的那個人。的確,證人指認時的誤認,通常是因為警方的建議而導致的無心之過,是錯誤定罪的一大主因。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

除了咬痕,另外的唯一證據就是駐衛指認了哈沃德。然而,即使在當時,他的證詞也是勉強得來而且不可靠的,我們得知在取得他的證詞時,用了可以「強化」記憶的祕密催眠,因此顯然缺乏可信度。

圖/unsplash

即使用催眠誘導的指認可以相信,不過駐衛也只是說在襲擊案發生當晚,他有看到哈沃德回到基地。是的,他是說那個人穿了血跡斑斑的制服,不過那人其實不是基思.哈沃德,而且在當時的紐波特紐斯,喝醉酒的水手在酒吧跟人打架,然後滿身是血回到船上,也不是什麼罕見的事。歸根究柢,不論證人指認的這番話具有多少分量,它都不代表哈沃德那天晚上有進入佩隆家。只有洛威爾.萊文和阿爾文.凱吉的專家證人證詞明確說出了這一點。而 DNA 也證明了兩位牙醫是錯的。

真正的兇手到底是誰!?

哈沃德的案件已經走向崩解。真正的證據(affirmative evidence)不是指向他有罪,而是指向另一個第三人。無論在哪一州,這個「新發現」的證據應該都對推翻任何一個有罪判決綽綽有餘了,但是維吉尼亞州和大多數州都不一樣。維吉尼亞州是全美國對無罪主張最有敵意的州之一。被判無期徒刑的囚犯很少有活著走出來的。要讓無辜者重獲自由,通常前提是必須破案。

然後「聯合 DNA 索引系統」(CODIS)就找到他了:在訴訟中喊出了「將軍!」

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
圖/unsplash

根據美國的 DNA 數據庫「聯合 DNA 索引系統」,確定性侵取證套組、沙發墊和尿布上的 DNA 是來自一名叫做傑里.克羅蒂的人。在這起性侵謀殺案發生時,克羅蒂是卡爾文森號航空母艦的一名水手,這艘航空母艦當時停泊在紐波特紐斯的船塢。

基思.哈沃德也在這艘船上服役。克羅蒂和哈沃德長得有點像,他曾經因為綁架罪而在俄亥俄州的監獄服刑,並在十年前死於獄中。在哈沃德入獄期間,他還犯下其他暴力犯罪,但是都沒有像一九八二年對佩隆一家的暴行那樣殘忍;當然,除非克羅蒂還犯了其他沒有被偵破的案件,或是被以為已經破案的犯罪。

全美國對無罪主張最有敵意的州?

媒體壓力再次升高。但不是像一九八二年那樣,當時行凶的水手逍遙法外,因此有兩名美國參議員敦促要盡速逮捕他;這次的壓力是要推翻多年前因為媒體推波助瀾而造成的有罪判決。

圖/unsplash

弗蘭克.格林(Frank Green)是《里奇蒙時報》(Richmond Times-Dispatch)的記者,他長期以來都對維吉尼亞州對無辜者的敵意有批判性觀察,他詳細報導了哈沃德的故事,從聲請推翻他的有罪判決的那一刻起。連諾托韋裡面的囚犯都注意到了。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

哈沃德在監獄裡的朋友們都為他打氣。他們開始從監獄圖書館的報紙上剪下與哈沃德案件有關的新聞剪報,並保留給他。隨著哈沃德的案件從一團混亂的垃圾科學訴訟,轉變成教科書等級的 DNA 平反案件,格林的報導刊登位置也越來越靠近頭版。當哈沃德的聲請在等待維吉尼亞州最高法院的決定時,他成了頭版新聞,而當 DNA 檢驗證明哈沃德是無辜的時候,他直接登上頭條。

圖/unsplash

既然已經在「聯合 DNA 索引系統」找到符合者了,但凡有一點基本的正當程序概念,都會覺得繼續監禁哈沃德是不可接受的。他顯然是無辜的。任何殘存的反對意見都消失無蹤了。

總檢察長在一場匆忙召開的新聞發布會上,公開承認哈沃德是無罪的,並要求該州高等法院盡速對其聲請做出裁決。維吉尼亞州最高法院在第二天就宣布基思.哈沃德是一個無辜的人。

——本文摘自《法庭上的偽科學》,2023 年 12 月,出版,未經同意請勿轉載。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

原文注釋

  1. Bill McKelway, “From the Archives: How the 1984 Escape from Virginia’s Death Row Happened,” Richmond Times-Dispatch, May 30, 2009,瀏覽日期二○二一年七月五日,richmond.com/from-the-archives/from-the-archives-how-the-1984-escapefrom-virginias-death-row-happened/article_19ea1684-9af2-5d24-86ab-5875eaf2068c.html。 ↩︎
  2. Prison Policy Initiative, Virginia profile,瀏覽日期二○二一年七月五日,www.prisonpolicy.org/profiles/VA.html。 ↩︎
所有討論 1

0

3
2

文字

分享

0
3
2
【2023 諾貝爾物理獎】什麼是「阿秒脈衝雷射」?能捕捉到電子運動的脈衝雷射?
PanSci_96
・2023/11/28 ・5966字 ・閱讀時間約 12 分鐘

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

林俊傑《江南》:「相信愛一天,抵過永遠,在這一剎那凍結了時間」

這一剎那持續了多久?這出自佛經的時間單位有多個解讀,其中最短,可以對應的國際單位制是阿秒。 1 阿秒又有多快呢? 1 阿秒等於一百萬兆分之一秒,是已經短到不行的飛秒的千分之一。在這段時間,別說是談戀愛了,連世界上行動最快的光,也只能移動一顆原子直徑的距離。

在阿秒的時間尺度裡,連光都得停下腳步,過去我們認為捉摸不定的電子,也終於將在我們眼前現身。 2023 年的諾貝爾物理學獎,正是頒給了三位帶領人類進入阿秒領域,探索全新世界的科學家。而這項技術,還可能讓電腦的運算速度加快一萬倍!

就讓我們一起來進入阿秒的領域吧,領域展開!

什麼是阿秒脈衝雷射?

今年諾貝爾物理學獎的三位得主分別是 Pierre Agostini 、 Ferenc Krausz 、和 Anne L’Huillier ,表彰他們對阿秒脈衝雷射實驗技術的貢獻。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
圖/X

所謂的阿秒脈衝雷射,指的是持續時間僅有數十到數百阿秒的雷射。當我們能使用脈衝雷射來觀察目標,就好比使用快門時間極短的相機對目標拍照,能捕捉到瞬間的畫面。

2018 年的諾貝爾物理學獎,就頒給了極短脈衝雷射的研究。短短 5 年後,雷射領域再次得獎,但這次是更快的阿秒雷射,能捕捉到電子運動的超快脈衝雷射。

世界上沒有東西能真正的觸碰彼此?看見電子能帶來什麼突破?

為什麼看見電子的運動那麼重要呢?我們複習一下原子的基本構造,在原子核之外,帶有微小負電荷的電子,被帶正電的原子核束縛住。量子力學告訴我們電子沒有確切的位置,而是以特定的機率分布在原子核周圍的不同地方,也就是所謂的電子雲。

圖/YouTube

雖然電子的體積比原子核小很多,但電子雲的範圍,卻占了原子體積的絕大部分。在物理或化學反應中,真正和其他原子產生交互作用的,幾乎都是這些外面的電子。在電影《奧本海默》中,當男女主角手心貼著手心,奧本海默這時卻說:「世界上沒有東西能真正的觸碰彼此,因為我們觸摸到的物體,都只是其中原子的電子雲和我們手上的電子雲產生的斥力。」

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
圖/screenrant

對了,這種話也只有奧本海默跟五條悟可以講,一般人請不要隨便亂牽別人的手。

除了和心儀的他牽手,不同的電子排列狀態也會直接影響物質的化學活性、材料的導電導熱等基本性質,各種化學和物理過程都和電子息息相關。從非常實際的層面來說,電子可以說是物質世界最重要的基本單位。所以不難想像,如果我們能看見電子,甚至獲得可以操縱個別電子排列與能量的技術,我們能真正成為材料的創世神,許多不可能都將化為可能,是相當重大的突破。

捕捉電子運動有多困難?

但要操縱電子可不是什麼簡單的事,不只是因為電子非常小,更重要的是他們動得非常快。具體來說,電子在原子周圍跳動的週期時間尺度大約是十的負十八次方秒,也就是一阿秒。一顆原子的大小約是十的負十次方公尺,速度等於距離除以週期,換算下來,電子雲差不多是以光速等級的速度在原子核周圍跳動。

圖/wikipedia

如果要捕捉到阿秒尺度的電子運動,就必須將實驗的時間解析度也提升到阿秒等級,否則就會像是用長曝光鏡頭拍攝亞運競速滑冰比賽一樣,只能拍到一團糊糊的影像,而沒辦法分出勝負。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

可是,在 1980 年代,脈衝雷射最快只能達到十的負十五次方左右,還只有飛秒等級。而且光靠當時的技術和材料優化,已經沒辦法再縮短脈衝時間了,因此這時候,就要從原理上重新打造一套方法了。

如何製造更快的脈衝?

首先,要製造更快的脈衝並不是用頻率更高的電磁波就好。你想,我們在拍照時,想要讓曝光時間更短,要改善的不是把室內光源從可見光改成頻率更高的紫外光,而是調快快門的開闔速度,讓光一段一段進入感光元件中,變成影片一幀一幀的畫面。而這一段一段進入像機的光訊號,就像是我們的脈衝。

不論是皮秒雷射、飛秒雷射還是阿秒雷射,一直以來在做的都是同一件事,在整體輸出功率不變的情況下,讓每一次脈衝的持續時間更短,同時單一次的功率也會更高。簡單來說,就是要從無數次的普通攻擊,變成每一次都是集氣後再攻擊。

但要怎麼為光集氣呢?光和其他波動一樣,可以和其他波動疊加。把不同頻率的光疊加在一起,波峰和波谷會抵消,波峰遇上波峰則會增強。只要用特定的比例組合許多不同頻率的光,就可以在整體總能量不變的情況下,產生一個超級窄的波峰,其他地方全部抵銷。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

1987 年,本次諾貝爾獎得主之一的 Anne L’Huillier 教授發現,當紅外線雷射穿過惰性氣體時,氣體會被激發放出整數倍頻的光。也就是氣體放出許多不同頻率的光,而這些頻率都是原本光源頻率的整數倍,從兩倍三倍到三十幾倍以上的高倍頻光都有。而橫跨這麼大頻率範圍的光,就能組合出時間長度很短的脈衝光。

不過這聽起來未免也太好康了,真的有那麼簡單嗎?

這個看似魔法的實驗背後其實有著相當簡潔的物理圖像。電子原本是被電磁力束縛在原子中,當一道強度夠強的雷射通過氣體原子,原本抓住電子的電位能被雷射削弱。

雖然這道牆只是矮了一些可是還是存在,但此時,在電子的大小尺度下,量子力學發揮了作用。調皮的電子有機會透過量子穿隧現象,穿過這道束縛,暫時逃離原子核的掌控。關於量子穿隧效應的介紹,我們近期也會再做一集節目來專門介紹。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

但電子還來不及逃遠,雷射光已經從波谷翻到波峰。電磁波的波谷與波峰,不是指能量的高和低,而是指方向相反。因此在相反的電磁場方向下,不幸的電子被推回原子核附近,再度被原子核捕獲。但在這欲擒故縱、七擒七縱的過程後,電子並非一無所獲,他所得到的動能會以光的形式重新放出。

而因為這些能量最早都來自雷射,因此電子放出的光波長,也剛好會是雷射的整數倍。再說的細一些,你可以理解為這些電子在吸收一顆顆光子後,一口氣釋放這些能量,所以能量都是一開始光子的整數倍。

在 1990 年代,科學家已經掌握了這個現象背後的原理。但一直到千禧年過後。這次諾貝爾獎得主之一 Pierre Agostini 教授和他的研究團隊才終於在適當的實驗條件之下,利用高倍頻光打造出了一連串寬度只有 250 阿秒的脈衝。同時第三位得主 Ferenc Krausz 也使用不同方法,分離出 650 阿秒的脈衝。

最後,獲得阿秒脈衝這個祕密武器之後,我們的世界將迎來哪些變化呢?

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

阿秒脈衝在各領域的應用

其實啊,有在關注諾貝爾獎都知道,諾貝爾獎通常不會頒給時下正夯的新興研究,前面講的研究,實際上都已經是二十多年前的往事了,而這些辛苦的科學家會在這麼多年後拿下諾貝爾獎的榮耀,正是因為阿秒雷射的發明經過了時間的考驗,成為非常普及的實驗技術,而且被大家公認為重要的科學貢獻。

當然,今年生醫獎的 mRNA 是個超快例外,有興趣的話,別忘了點擊下方影片,看看編劇都編不出來的 mRNA 研究歷程。

說了那麼多,阿秒雷射究竟對人類生活有什麼幫助呢?當然,它能讓我們更深刻了解物質還有光的本質,但是除了幫電子拍下美美的照片放在期刊的封面上,阿秒雷射可以用來做什麼?

在過去這二十年,許多研究已經找到了相當有潛力的應用。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

舉例來說,在醫療方面,阿秒雷射可以用來分析血液或尿液樣本。控制良好的超短脈衝可以精準的刺激生物樣本中的各種有機分子,讓這些分子震動並放出紅外線訊號。如果使用的脈衝長度太長,分子釋放的訊號就很容易和原本施加刺激的雷射混在一起,造成量測的困難。唯有阿秒等級的超短脈衝能夠實現這樣的量測。

這些紅外線光譜就像是質譜儀一樣,能幫助我們快速分析血液中的蛋白質、脂質、核酸等重點物質的關鍵官能基狀態。並透過機器學習的方式整合,成為個人化的健康狀態報表,或是做為診斷的依據,將精準醫療提升到全新的層次。

圖/attoworld

不只如此,發送超短脈衝的技術也可能革新當今的電腦運算。電腦運作的方式就是利用電晶體這種微小的開關,不斷的開開關關去發送一跟零的訊號,所以開關電流的速度便決定了你的運算速度。以半導體為基礎的電晶體,工作頻率通常不超過上百 GHz ,在時間上也就是十的負十一次方秒。

自從阿秒雷射技術普及之後,就有科學家想到:既然雷射脈衝的速度更快,那不如就別用半導體了,改用光學脈衝來控制電流作為運算的媒介。這個概念叫做光學電晶體(Optical Transistor)。

今年初,亞利桑那大學的團隊便發展示了如何利用小於十的負十五次方秒的超短雷射脈衝,來開關電流並傳送一與零的位元,這個頻率比現有半導體電晶體快了一萬倍以上。這顯示了光學方法的操作頻率可以有多快,或許能讓我們突破訊號處理和運算上的速度瓶頸。

看完這些便可以理解,阿秒等級的超快雷射脈衝的確是相當近代的一個科學里程碑。就像是科學革命時望遠鏡和顯微鏡的發明,讓人們看見那些最遠和最小的事物,超快脈衝用最快的時間解析度,讓我們看到許多人類從未看過的景象。

阿秒脈衝雷射的出現,是科學上的一個里程碑,讓我們能用更高的時間解析度,讓我們看到許多過去從未看到的景象。最後也想問問大家,在雷射這一塊,你最期待有哪些應用,或者最希望我們接著來講哪個主題呢?

  1. 為什麼醫美、眼科手術那麼喜歡用飛秒、阿秒雷射,真的有比較好嗎?
  2. 使用雷射脈衝的光學電晶體真的有可能取代傳統電晶體嗎?
  3. 除了光學電晶體,最近很夯的矽光子技術,聽說裡面也有用到雷射,可以一起來介紹嗎?

歡迎訂閱 Pansci Youtube 頻道 獲取更多深入淺出的科學知識!

參考資料

PanSci_96
1219 篇文章 ・ 2184 位粉絲
PanSci的編輯部帳號,會發自產內容跟各種消息喔。

0

3
1

文字

分享

0
3
1
研究自閉症成因的新思路:環狀 RNA——專訪中研院基因體研究中心莊樹諄研究員
研之有物│中央研究院_96
・2023/09/22 ・5439字 ・閱讀時間約 11 分鐘

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

本文轉載自中央研究院「研之有物」,為「中研院廣告」

  • 採訪撰文|寒波
  • 責任編輯|簡克志
  • 美術設計|蔡宛潔

自閉症研究的新方向

臺灣民眾大概都聽說過「自閉症」這個名詞,自閉症是腦部發育障礙導致的複雜疾病,同時受到先天遺傳以及後天環境因素的影響,具體成因依然是個謎,科學家須對遺傳調控方面有更多了解。中央研究院「研之有物」專訪院內基因體研究中心的莊樹諄研究員,他的團隊結合生物學、資訊學以及統計學方法,發現自閉症的風險基因與 RNA 之間有複雜的交互作用,在自閉症患者與非患者的腦部有很大差異。如果持續研究 RNA 的調控機制,或能開闢新的方向進一步理解自閉症。

遺傳性疾病成因——致病基因

根據衛生福利部 2023 年統計數據,我國自閉症患者超過一萬九千人。自閉症的全稱為「自閉症譜系障礙(autism spectrum disorder,簡稱 ASD)」,常見症狀是溝通、表達、社交上有困難,經常出現反復固定的狹窄行為,目前尚無有效的治療藥物。雖然經典電影《雨人》的主角雷蒙或是韓劇《非常律師禹英禑》的禹英禑都令人印象深刻,不過天才或高智商的自閉症患者只是極少數,而且不同患者的症狀輕重差異很大,故稱之為「譜系」(spectrum)。

理解遺傳性疾病,可利用遺傳學與基因體學的研究方法,比較患者與非患者之間的遺傳差異,便有機會尋獲致病的遺傳成因。過往研究得知,有些遺傳性疾病只取決於單一或少數基因的強力影響,例如亨廷頓舞蹈症(Huntington’s disease)、纖維性囊腫(cystic fibrosis)等,致病原因較為單純。

自閉症自然也受到先天遺傳基因影響,然而,它涉及許多影響力不明顯的基因,而且影響每名患者的基因又不盡相同,讓遺傳與症狀的關係更加複雜。如果從 RNA 研究路徑出發呢?RNA 是核糖核酸,具有承載 DNA 訊息和調控基因等功能,相比於其他疾病,在 RNA 層次研究自閉症的另一挑戰是取樣極為困難,自閉症患者的病因位於大腦內部,通常無法直接從人腦取樣分析。所幸的是,若檢視去世者捐贈的大腦樣本,仍有機會一窺自閉症的腦內奧秘。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

莊樹諄分析的數據來自公共存取的 Synapse 資料庫,包括上百位自閉症患者與非自閉症者的資料。人數乍看不多,卻已是當今想同時探討同一個人的基因體(DNA 層次)與轉錄體(RNA 層次)間因果關係的最佳的選擇。藉由此一資料庫蒐集的人類腦部組織轉錄體資料,可全面探討各式各樣的 RNA,包含信使 RNA(messenger RNA,簡稱 mRNA)、小分子 RNA(microRNA,簡稱 miRNA),以及莊樹諄鎖定的研究目標:環狀 RNA(circular RNA)

自閉症成因不明,目前尚無治療用藥物。有自閉症的人需要社會與家人的支持及陪伴,透過療育和行為輔導的協助,慢慢活出自我。
圖|iStock

不能轉譯,但似乎會互相影響?非編碼 RNA

莊樹諄的教育背景是資訊學博士,博士後研究的階段投入生物資訊學,之前主要從事 RNA 與靈長類演化方面的研究,探討多樣性切割、RNA 編輯(RNA editing)等議題,環狀 RNA 則是他近年來特別感興趣的題材。

根據生物資訊學的預測,環狀 RNA 這類長鍊的 RNA 分子有數萬個,但實際上有多少仍不清楚。它們在大腦神經系統特別常見,似乎涉及許多基因調控的工作。莊樹諄目前最關注環狀 RNA 對自閉症的影響,不過他指出這番思路不限於自閉症,阿茲海默症、帕金森氏症、精神分裂症(schizophrenia)等疾病也能用同樣的方法探索。

不過,什麼是環狀 RNA 呢?按照序列長度、作用,可以將 RNA 分為很多種類。DNA 轉錄出的 RNA 經過處理,有些形成 20 多個核苷酸長的短鏈 RNA,如 miRNA 屬於此類。一些較長鏈的 mRNA 又會轉譯成氨基酸,產生各式蛋白質。還有些長鍊的 RNA 不會轉譯,仍然維持長鍊 RNA 的形式發揮作用,統稱為長鍊非編碼 RNA(long noncoding RNA,lncRNA),莊樹諄研究的主角環狀 RNA 大致上被歸屬於一種非編碼 RNA。這麼多種類的 RNA 彼此會互相影響,導致複雜的基因調控。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
長鍊非編碼 RNA(lncRNA)是 Pre-mRNA 選擇性剪接的產物,根據不同的生成方式,產生各種類型的環狀 RNA。
圖|研之有物(資料來源|International Journal of Oncology

由 DNA 轉錄而成的 RNA 是線形,至於「環狀」RNA 一如其名,是 RNA 長鏈首尾相接後形成的環形結構,相比線形 RNA 更加穩定,不容易遭到分解。這些長期存在的圈圈,假如序列可以和短鏈的 miRNA 互補,兩者便有機會結合在一起,讀者可以想像為類似「海綿」(sponge)的吸附作用。

miRNA 原本的工作是結合 mRNA,使其無法轉錄為蛋白質,抑制基因表現。可想而知,一旦 miRNA 被環狀 RNA 吸附,便無法再干擾 mRNA 作用,失去抑制基因表現的效果。因此環狀 RNA 能透過直接影響 miRNA,來間接參與調控其他的下游基因。這便是環狀 RNA 的許多種調控功能中,最常被研究的一種。

左圖是 miRNA 抑制 mRNA 轉譯的一般流程。右圖是環狀 RNA 像海綿一樣吸附 miRNA,讓 miRNA 原本抑制 mRNA 轉譯的「剎車」功能失去作用。因此環狀 RNA 透過直接影響 miRNA,就能間接參與調控其他的下游基因。
圖|研之有物(資料來源|Frontiers in Cardiovascular Medicine

自閉症的成因要往腦部深究,環狀 RNA 又在腦部表現最多,使得莊樹諄好奇當中的奧秘。然而儘管如今 RNA 定序已經很發達,環狀 RNA 由於結構的關係,一般的 RNA 定序方法無法抓到這類環形分子。莊樹諄指出這也是 Synapse 資料庫的一大優點,此一資料庫罕見地包含能找出環狀 RNA 的 RNA 定序資料,配合 miRNA、mRNA 與基因體等資料交叉分析,才有機會闡明環狀 RNA 的角色。

尋找環狀 RNA 和自閉症的關聯

莊樹諄率領的團隊已經發表 2 篇環狀 RNA 與自閉症的研究論文,第一篇論文著重於尋找哪些環狀 RNA 和自閉症有關,研究假設是環狀 RNA 透過 miRNA 間接影響自閉症風險基因 mRNA 的表現。由於環狀 RNA、miRNA 和 mRNA 都多達數萬個,需要統計分析的幫忙。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

首先,將樣本分為有自閉症/無自閉症。要注意每個自閉症患者的基因表現仍有差異,納入夠多樣本一起比較,才有機會看出端倪。

接著,尋找環狀 RNA 和風險基因有顯著相關的搭配組合。例如:高比例自閉症的人,某個環狀 RNA 含量較高時,某個風險基因的 mRNA 表達量也較高,那這組環狀 RNA 和基因就存在正相關;反之則為負相關。

不過相關性很可能只是巧合,所以莊樹諄團隊比對序列,找到符合上述相關性的中介因子「miRNA」。最後再觀察「當排除 miRNA 影響時,環狀 RNA 與風險基因的顯著關係即消失」的組合,這些消失的組合,就是真正共同參與基因調控的「三人組」(環狀 RNA、miRNA、mRNA)。

一番分析後,篩選出的環狀 RNA 共有 60 個,其中涉及與 miRNA、mRNA 的組合總共 8,170 組。人類一共 2 萬個基因,與自閉症有關的調控網路就有 8,000 組之多,數字相當可觀,顯示環狀 RNA 的重要性。莊樹諄用統計手法找出的自閉症風險基因,和過去科學家已知的部分風險基因相符合,未來可以繼續探究在這 8,000 組調控網路中,有哪幾組是真的作用在生物上。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

在資訊與統計分析之外,莊樹諄的團隊也有人進行分子生物學實驗,驗證 RNA 調控網路的相互影響。以體外培養的人類細胞為材料,人為誘導遺傳突變,精確分析特定環狀 RNA 在細胞內分子層次的作用。實驗證實選取的環狀 RNA,確實會結合 miRNA,又影響 mRNA 的表現。

環狀 RNA 會取消原本 miRNA 抑制 mRNA 轉譯的「煞車功能」,進而影響自閉症風險基因的表現。
圖|研之有物(資料來源|中研院基因體研究中心

基因調控是什麼?

莊樹諄強調,使用資料庫的公開資料,好處是經過多方檢視,避免資料品質不一致的問題,缺點是大家都能取得數據,必須要跳脫既有的思考模式才能發現新的結果。他在環狀 RNA 議題的新思路,成為第二篇論文的內容:探討環狀 RNA 的遠端調控(trans-regulation)對自閉症的影響

基因的表達會受到基因調控元件(regulatory element,一段非編碼 DNA 序列)的影響,若調控元件就在基因附近,稱為近端調控(cis-regulation);如果調控元件不在附近,甚至位於另一條染色體上,則為遠端調控。

研究基因調控,通常近端比遠端調控容易,因為近端調控元件(cis-regulatory element)的位置就在基因旁邊,不難尋找;但遠端調控卻沒那麼直觀,作用機制也比較難以想像。實際上常常能發現一個基因的表現,受到多處近端調控,加上多處遠端調控的影響。如果想全方位認識一個基因的表現與調控,最好能都能得知近端與遠端的影響,否則難以掌握調控的全貌。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

莊樹諄的想法是,某些基因被遠端調控的過程,是否有環狀 RNA 參與?具體說來就是某個調控位置,先近端調控其周圍的環狀 RNA 基因,再藉由環狀 RNA 影響基因體上其他位置的基因表現,發揮遠端調控的效果。

如圖顯示,環狀 RNA 表達數量性狀基因座(circQTL)近端調控了環狀 RNA,遠端調控其他基因。莊樹諄的想法是,某些基因被遠端調控的過程,是否有環狀 RNA 的參與?
圖|研之有物(資料來源|Molecular Psychiatry

為了避免用語誤解,有必要先解釋一下什麼是「基因」。基因的概念隨著生物學發展持續改變,如今一般人熟悉的定義,基因是由 DNA 編碼序列構成,能轉錄出 mRNA,再轉譯為蛋白質的訊息載體。不過若將基因定義為會轉錄出 RNA 的 DNA 序列,那麼即使沒有對應的蛋白質產物,只要其衍生的 RNA 產物有所作用,也能視為「基因」,如 miRNA 基因、mRNA 或長鏈非編碼 RNA 基因。既然是有 DNA 編碼的基因,便會受到近端、遠端調控位置影響。

探索遠端調控機制有很多想法,莊樹諄可以說又打開了一條新思路。遠端調控位置不在基因旁邊,亦即基因體任何地方都有機會。假如直接挑戰基因與遠端調控位置的關聯性,可能相關的數量可謂天文數字,而且缺乏生物性的理由支持,找到的目標往往令人半信半疑。

莊樹諄引進環狀 RNA 涉及其中的可能性,尋找「環狀 RNA 基因的近端調控位置」與「目標基因的遠端調控」之交集,大幅縮小了搜索範圍。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
莊樹諄透過「環狀 RNA 基因的近端調控位置」與「目標基因的遠端調控」之交集,找到環狀 RNA 參與遠端調控的證據。
圖|研之有物(資料來源|莊樹諄

一番分析後,研究團隊從自閉症患者的基因體上,定位出 3,619 個近端調控的 circQTLs,這些表達數量性狀基因座相當特殊,可能藉由直接或間接遠端調控兩種模式來調控遠端基因(如上圖)。而這 3,619 個 circQTLs,與環狀 RNA、遠端基因三者形成了八萬六千多組的遠端調控網路。接著團隊使用了不同的統計方法,其中 8,103 組通過多重統計測試,顯示較高的機率是屬於間接遠端調控模式。

莊樹諄團隊透過統計手法,找到相當多基因和調控路徑,雖然目前仍不清楚它們影響自閉症的具體細節,卻無疑讓我們新增一分對自閉症的認識。

莊樹諄指出,這套統計方法或可應用至人類的其他複雜疾病(如思覺失調症),找出基因調控的多個可能路徑,提供臨床醫藥研發更多線索。

生物與資訊的跨領域結合

訪談中問到:為何會從資訊科學跨入到生物領域?莊樹諄回憶,1998 他博士班畢業那年才第一次聽到「生物資訊」這個詞,他基於對生命科學的興趣,以及因為內在性格想往學術轉型的想法,引領他到了中研院。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

莊樹諄接著說,2003 年李文雄院士延攬他進入基因體研究中心,之前他們不曾認識。他感謝李院士帶他進入了分子演化的世界,就此打開了研究視野。在剛開始成立自己的實驗室時,缺少人力,李院士讓當時的博後陳豐奇博士(現為國衛院群體健康科學研究所研究員兼任副所長)與他共同工作。莊樹諄強調,他所有分子演化的觀念與基礎,都是陳博士幫他建立的,如果說陳博士是他的師父,那李院士就是師父的師父了。

如今,莊樹諄在中研院的研究生涯邁入第 25 年,從資訊學背景投入生物學研究,大量使用統計工具,他經常需要持續整合不同領域的觀念與工具,推動自己的新研究。在訪談中,他也感謝諸多研究同儕的協助,特別是幾年前建立分生實驗室時,蕭宏昇研究員及其團隊成員的鼎力相助。

莊樹諄的團隊包含資訊、統計、分子生物三個領域的同仁,來自不同領域,傾聽他人意見自然也特別重要,這是他們實驗室的核心價值之一。莊樹諄認為在科學面前,人是很渺小的,需要互相尊重和理解,方能一起解開科學之謎。

最後,莊樹諄特別強調他個人在相關領域的研究,仍有極巨大的進步空間,感謝研之有物的主動邀訪,期望將來能與更多先進交流學習,也企盼年輕新血加入這個生物資訊的跨領域團隊。

莊樹諄期望在環狀 RNA 與基因調控網路的研究基礎之上,可以對自閉症這個複雜疾病的調控機制,提供更多科學線索,幫助臨床上的診斷和治療。
圖|研之有物
研之有物│中央研究院_96
296 篇文章 ・ 3404 位粉絲
研之有物,取諧音自「言之有物」,出處為《周易·家人》:「君子以言有物而行有恆」。探索具體研究案例、直擊研究員生活,成為串聯您與中研院的橋梁,通往博大精深的知識世界。 網頁:研之有物 臉書:研之有物@Facebook