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把 DNA 當紙來折!

Brainy Waker 腦子醒了
・2015/12/07 ・2537字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 525 ・七年級

文/承恩

 

圖一:紙可以摺疊出許多複雜的形狀,DNA 也可以喔!
圖一:紙可以摺疊出許多複雜的形狀,DNA 也可以喔!

自從華生、克利克[注]於1953年發現 DNA 的雙股螺旋結構之後,就有人想要利用兩股 DNA 之間的吸引力把DNA塑造成不同的形狀。只要動一點巧思設計出適當的 DNA 序列,就可以利用這種吸引力把 DNA「摺疊」成各式各樣的形狀。

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圖二:(左)DNA雙股螺旋結構,中間由化學鍵結—氫鍵—所構成。 (中)圖上每一條相同顏色的線,都是一股DNA。只要設計出適當的序列,DNA兩股之間的吸引力就可以把多股DNA組成各式各樣的形狀。 (右)使用原子力顯微鏡觀察到的真實結構。(圖片來源)

DNA 雙股螺旋結構的原理

將兩個乾燥的物體互相摩擦會產生電荷,而正負電會相吸,這是基本的物理現象。在微小的分子包含 DNA 這個性質仍就成立。在小分子裡,有些原子本來就傾向帶負電,例如氧;有些原子天生傾向帶正電,例如氫。氫元素跟氧元素形成水的時候,水分子裡頭電荷並不是完全均勻分布,因此會導致水分子之間相吸的現象。

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圖三:每個水分子帶有一個氧原子跟兩個氫原子。紅色是氧原子,白色是氫原子。氧原子傾向帶負電,氫原子傾向帶正電,導致水分子之間有著吸引力。(注:上面的數字代表距離,1Å = 10^-10公尺)(圖片來源)

DNA(去氧核醣核酸)是一種比水大上許多的分子。事實上,它是由四種不同的單元分子(鹼基)串接而成,人們常常聽到的 A, T, C, G 分別就是這四種單元分子。而鹼基 A, T 之間會產生兩個氫鍵使其互相吸引,鹼基 C,G 之間會產生三個氫鍵使其互相吸引。

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圖四:鹼基之間會型成氫鍵(虛線)。英文字母 O 代表氧原子,H 代表氫原子,氧原子與氫原子之間會彼此相吸。注意光是鹼基單元結構就已經比水大上許多,這張圖已經省略了大部分的結構。

因此,當其中一股 DNA 含有 A 鹼基時,就可以跟另一股含有T鹼基的 DNA 進行配對,最後形成了雙股螺旋結構。

如何設計出適當序列將 DNA 摺疊出來呢?

既然 A, T 兩個鹼基以及 C, T 兩個鹼基會彼此相吸,其實並不一定要兩股一樣長的 DNA 構築成雙股螺旋的結構。事實上,如果只有一股 DNA,自己的 A, T 鹼基也有機會發生相吸的現象。在 DNA、蛋白質演進出來之前,更原始生物體裡的 RNA(跟 DNA 相近但通常只會有單股,較不穩定)就能夠自行折疊出適當的形狀來執行所需要的功能。

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圖五:核酸能自行摺疊出具有催化能力的「酵素」(Ribozyme,核脢)。根據目前的理論,酵素(蛋白質)是DNA轉錄再轉譯而成,但DNA的合成又需要酵素,變成是雞生蛋,蛋生雞的問題。這種自行摺疊又具有催化功能的核酸或許這個問題的答案。
圖五:核酸能自行摺疊出具有催化能力的「酵素」(Ribozyme,核脢)。根據目前的理論,酵素(蛋白質)是DNA轉錄再轉譯而成,但DNA的合成又需要酵素,變成是雞生蛋,蛋生雞的問題。這種自行摺疊又具有催化功能的核酸或許這個問題的答案。(圖片來源)

自然界出現的摺疊形狀遠比人類想像的要複雜。要想出多條 DNA 並且設計出正確序列構築出想要的形狀的確是一件很不容易的事情。然而,人類還是可以試圖用比較簡單的方法摺出近似的形狀。其中一個簡化的方法就是只拿一條很長的 DNA 單股序列,然後設計出一系列長度非常短的 DNA 序列(Staple DNA),讓 DNA 在適當的位置相吸,造成想要的形狀。如同摺玫瑰花,我們不再需要設計多張不同形狀的紙組合成玫瑰,只要拿一張紙,設計出正確的折疊位置即可。是不是越來越像是真正的摺紙了呢?

目前所使用的 DNA 摺疊方法源自於美國加州理工學院教授 Paul Rothemund。藉由電腦軟體(目前常見的軟體為 Cadnano),使用者只需要設計出形狀即可,一系列短的 DNA 序列(Staple DNA)會自動被電腦計算出來。Paul Rothemund 設計並且製作了出了一些有趣的圖案,例如笑臉。

DNA摺紙的應用

資料存放

DNA 因為是由許多鹼基排列而成,因此除了可以摺出有功能的形狀外,同時還能存放資訊。除此之外,同樣的資訊量,DNA 的體積比傳統的電腦硬碟或隨身碟來得小。一毫米的線蟲就含有一億個鹼基對,可見資料存放的密度之高。

圖六:DNA摺出來的不只是形狀,更能帶有龐大資訊
圖六:DNA摺出來的不只是形狀,更能帶有龐大資訊。(圖片來源)

DNA 電腦

目前有大量需要平行計算的問題,而這需要大量的運算資源。一個核心不夠用,工程師就設計出雙核、四核、八核的處理器,或者是把所有電腦串接在一起集中所有運算資源變成超級電腦。然而雖然現代科技已經可以將電路製程縮小到奈米等級,建造及維護成本還是一個很可觀的數字。

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如果 DNA 具有運算的能力,能夠接受外界的輸入並且處理後輸出,我們將能大幅壓低運算所需的成本。雖然生物體或 DNA 的反應速度可能不及電路,但因為可以大量平行化的關係,因此在解決巨大的問題時不見得吃虧。

生醫用途

只要設計得當,這些摺疊出來的DNA結構就能對外面的環境有所反應。目前已經有人將 DNA 摺疊成可以被打開的盒子。在盒子裡面放入藥物,並且在特定位置釋出以治療疾病,是其中一個構想。

目前哈佛大學發起的生物分子設計競賽(Biomod)匯集了許多有趣的構想,最近我們學校(臺灣大學)也派了代表隊參加,有興趣的人可以到這個比賽網站看看喔!

註:當時是華生、克立克發現結構,但女科學家羅莎琳·富蘭克林提供了非常重要的貢獻(X 光繞射照片)。然而,華生與富蘭克林之間的關係始終都是充滿著爭論。1962年華生、克拉克因為發現 DNA 結構獲頒諾貝爾獎,但富蘭克林卻在1958年過世(諾貝爾獎無法頒給已經過世的人),因此沒辦法得知若她仍在世是否會被提名。

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資料來源:
http://en.wikipedia.org/wiki/DNA_nanotechnology
http://en.wikipedia.org/wiki/DNA_origami#cite_note-lin-6
http://biomod.net/

本篇授權轉載於【腦子醒了‧Brainy Waker

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文章難易度
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Brainy Waker 腦子醒了
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自古以來,神話與科學息息相關,人們往往將科學無法解釋的事件,歸納為神的力量,而在科學昌明的年代,我們希望人們能將科學視為一種新的信仰,一種追求真理與事實的態度。因為我們相信不斷向真理靠攏的知識,能夠改變人類眼中的世界,塑型出更真實的宇宙!新穎的資訊,不同的視角,挑戰你的舊觀念!我們將喚醒你們的腦子,用不同的觀點切入科學,再次挑戰你們對科學的想像!所以,我們來了,腦子醒了!
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小鼠研究指「間歇性禁食」可延年益壽——重點不在總熱量,延長用餐間隔才是重點!

台灣科技媒體中心_96
・2021/10/24 ・2679字 ・閱讀時間約 5 分鐘

2021 年 10 月 18 日,國際期刊《自然醫學》(Nature Medicine)公開的一篇研究論文,探討飲食模式和改善生理健康之間的關係。研究將小鼠總共分為五組:(1)自由取食、(2)限制 30% 的熱量攝取,但沒有禁食期、(3)限制 30% 的熱量攝取,半天內給食三次,另外半天禁食、(4)限制 30% 的熱量攝取,每天只給食一次,其他 21 小時禁食、(5)熱量攝取總量不變,但每天禁食 21 小時。

研究運用液相層析質譜儀(Liquid chromatography–mass spectrometry),以及轉錄組分析(Transcriptional profiling)等方法,發現僅「禁食」而沒有減少攝取的總熱量,就足以得到在限制熱量的飲食模式時出現的大部分代謝與核酸轉錄的特徵,以及延長壽命、防止衰弱等健康上的好處。

該研究歸納出以下三大結論:

  1. 過往研究限制熱量攝取的好處時,無法分辨原因是「總卡路里攝取下降」還是「有規律的長時間禁食」。這篇研究協助釐清熱量限制帶來好處的原因,發現單純禁食而並不減少總熱量攝入,就足以達到有助代謝和延緩老化這些健康效果。
  2. 研究是在特定的條件下所觀察到的現象,不同性別及不同品系的小鼠,禁食的效果就不同,無法廣泛推論於不同物種或不同飲食文化的個體。
  3. 禁食很可能是限制卡路里攝取時,可改善健康和長壽所必需的關鍵。如果可以證明適用於人類,未來可能幫助人們在不需要減少卡路里攝取總量的情況下,也能延緩老化、促進健康。
圖/Pixabay

大爆吃再間歇性禁食更健康?仍有待證實

臺大醫學院腦與心智科學研究所教授王培育指出,適當的飲食限制對於促進代謝、預防疾病及延長壽命的益處已是廣為人知。然而在早期用酵母菌、線蟲及果蠅作為實驗對象的研究中,受限於實驗模式,大多是以稀釋食物中的營養成份且自由飲食的方式來觀察飲食限制的好處 [1][2][3]

而在哺乳類中,小鼠或猴子實驗則是以每日一到二次或數日一次的方式,餵食正常食量的 40-80% [4][5],因此,一直以來飲食限制所帶來的好處被認為是降低日常飲食中卡路里的總量所導致。但是這些傳統的觀點在近年來的研究中已是備受挑戰,例如每日限制時間或食物量的餵食或禁食(於幾個小時內自由飲食或吃完定量的食物),也可明顯的達成健康長壽的好處 [6]

所以,重要的究竟是卡路里減量,還是禁食?本篇研究利用特定品系的小鼠,以系統性的方法實驗數種飲食的模式並且分析多種代謝及生理指標。結果顯示適當的禁食,可能是影響健康指標的關鍵,然而這是否意味著大吃大喝但間歇性的禁食是比少量及少餐更好的選擇呢?有待日後有更多的研究證據來說明。

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規律禁食/進食,比總熱量攝取更重要

王培育也指出,這份研究僅使用了兩種品系的公、母小鼠進行研究,便可觀察到飲食限制對於不同性別及兩種品系小鼠的生理反應造成許多的差異,顯示本研究是在特定的條件下所觀察到的現象,無法廣泛推論於不同物種或不同飲食文化的個體。

這份研究提供一個重要的概念,適當的禁食可以達成傳統的飲食限制(禁食加上卡路里減量)對身體健康的好處,因此營養均衡、不必在卡路里上斤斤計較,一樣可能擁有健康長壽。

王培育指出,這份研究詳盡的比較了長期限制總熱量攝取與間歇性禁食,對代謝、老化以及壽命的影響,結果也顯示了有規律的間歇性禁食也許就足以帶給我們健康上的各種好處。這告訴我們,吃什麼、吃多少固然重要,何時吃以及飲食是否規律也許更重要。這結果與上月一篇發表在期刊《自然》(Nature)上的果蠅間歇性禁食實驗結果不謀而合 [7]

這份研究提供一個重要的概念,適當的禁食可以達成傳統的飲食限制(禁食加上卡路里減量)對身體健康的好處。圖/Pixabay

「禁食」才是有助代謝的關鍵

國立中興大學食品暨應用生物科技學系特聘教授蔣恩沛指出,過去許多研究都發現「限時進餐」或「限制進餐量」具有代謝益處,並延長小鼠的壽命。然而這些發現並無法釐清,哪些是純粹因為減少熱量攝入引起的好處,而哪些是因實驗要控制卡路里而無形中施加了禁食所致。

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本研究在小鼠實驗中發現,限制卡路里的飲食方式,促成葡萄糖代謝、虛弱和壽命的各項改善,其實需透過「禁食」來達成。研究推翻了長期以來認為卡路里限制飲食對哺乳動物有益僅是由於減少總熱量攝取的觀點,並強調當中的「禁食行為」才是有助代謝(例如提升胰島素敏感性)和延緩老化這些保護作用的重要原因。

研究結果揭示了我們何時以及吃多少食物,如何調節代謝健康和壽命,並證明每天延長禁食,而不僅僅是減少熱量攝入,可能是熱量限制飲食對改進代謝和延緩老化的原因。過去已有研究表明,延長兩餐間隔對健康有益,本研究結果與過去研究也有相當的一致性。

蔣恩沛表示,人類老化過程中所伴隨的退化過程和疾病,有許多變因,除了攝食量、飲食方式、種類,還有基因、環境因素,甚至腸道菌相,均可能扮演角色,遠比實驗動物複雜。然而可以確定的是,限制熱量攝取可提供代謝上的益處,並可能減緩衰老、延長壽命。

圖/Pexels

本文編譯自科學期刊文章,完整文章來源:

參考資料:

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