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他由翁啟惠帶領進入醣世界,在台灣開創一片天—中研院醣分子專家吳宗益專訪——《科學月刊》

科學月刊_96
・2016/03/25 ・4182字 ・閱讀時間約 8 分鐘 ・SR值 542 ・八年級

作者/ 許雅筑|《科學月刊》編輯,臺灣大學動物所碩士。理想是用平易近人、充滿樂趣的方式把科學傳達給大眾。

 

專心致志做自己喜愛且擅長的事,並獲頒美國化學會醣科學「年輕研究學者獎」,這個和生物題材息息相關的化學獎項,標誌著吳宗益從化學踏足到生物領域的初步成功。「其實是巧合。」吳宗益帶著親切的笑容,侃侃而談他投入醣科學研究的歷程。事實上他在高中性向測驗的結果適合文組,他說,當時自己的確對數學不在行,但台中一中大多數班級都是理組,因此吳宗益在選組時有些猶豫,後來跟導師討論後,才決定唸第二類組。但他很快地就在高二的化學中找到興趣,不論是課堂上的聽講,或是在自然科學研習社裡的實驗,都很喜歡,「我那時就很喜歡做菜,做有機化學實驗的感覺尤其像在煮菜一樣,非常有趣」。

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美國化學會醣科學「年輕研究學者獎」證書。

從有機化學啟蒙,在合成中悠遊

填大學志願時,吳宗益篤定地都填了最愛的化學系,也順利的進入交通大學應用化學系,在那裡他遇到了研究的啟蒙者──吳獻仁老師。吳老師的有機化學課程很精采,在大二升大三的暑假,他與許多同學都找吳老師做專題研究。然而要忍受實驗中硫分子所散發的惡臭實在不容易,「過了一個暑假,十個人跑掉了七個。」但吳宗益繼續堅持,加上遇到很好的學長帶領,努力了兩個暑假,他們終於合成出結構像藝術品般的籠狀化合物。

之後吳宗益繼續在交大應化系唸碩、博班,一路也都是在吳獻仁老師的指導下,持續合成這類像籠狀、碗形的化合物,期待它們的特定構型,可以作為捕捉金屬離子的武器。吳宗益在升碩二時成功設計合成出一個化合物,本想多做些延伸的課題後再發表,沒想到過幾個月後,同領域的印度學者也說合成出類似的東西了,為了搶得先機,他們等不及完成後續研究,只能趕緊投稿至國際期刊。這次經驗,讓吳宗益體會到研究的競爭性與即時發表的壓力。

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在博士班時期,指導教授給他很大的自主空間,「我喜歡有自己的想法,可以自己設計實驗去做出來。」他去清大修習汪炳鈞老師的高等有機課程時,從臭氧裂解後結合氨水的反應中得到啟發。回去做實驗後,他成功的把籠狀化合物五個端點上的氧置換成氮,之後還能再置換成硫,等於可隨心所欲地改造。不過最後測試這些分子卻一點也沒有金屬結合力,原來這些碗公狀的分子在反應過程中,就像收納碗盤一樣自行堆疊起來了,變成了柱狀結構,甭論去抓離子。雖然這個意外的結果讓他感到些許挫折,不過他的確創造出來很多分子,「那時把分子合成出來,其實就已經很興奮了。」他打趣回憶說,「我每次一做出來就回家跟老婆講:『發了!做出來了!』」

從生物找問題,向化學找工具

生命現象中有許多問題等待人們克服,有時得從其他領域找解法。吳宗益說,生物和化學兩個領域是息息相關的,「我們從生物方面去找問題,當要解決問題時,常常需要化學的工具,唯有化學才能創造分子出來。」2000 年吳宗益博士畢業後到了中研院服國防役,他幸運地進到化學所翁啟惠(現任中研院院長)的實驗室,自始進入生物學的領域。沒想到翁啟惠對吳宗益的第一個問題竟是:「你博士班做這個要幹嘛?」翁啟惠接著告訴他,研究工作不能單只考慮有不有趣,因為研究生涯有限,應該要慎選能發揮最大貢獻的題目。這段談話對吳宗益猶如醍醐灌頂,「我開始感覺(研究這件事)好像不太一樣了。」

化學所中有豐沛的資源,而翁啟惠的領導風格也是讓下屬擁有自主性,喜歡自己發想的吳宗益在那裡如魚得水。2003 年臺灣爆發SARS 疫情,深切讓他感受到生物研究的重要性,那時翁啟惠是研發抗病毒新藥的計畫主持人,實驗室匯集了從全國各地提供的藥物等待篩檢,甚至連民間的祖傳祕方都有,藥品堆積如山!吳宗益接下這項任務,開始處理藥品,過著天天與藥為伍的日子,經由當初任職於三峽預防醫學研究所的中校詹家琮的幫忙,他最後篩選到可用的藥物,也將研究成果發表在《美國國家科學院院刊》(PNAS)。這就是他第一篇與生物學相關的論文,他直言:「真的寫得很痛苦!」但他因此開始涉略到應用性的研究了。

退伍後吳宗益到美國的斯克里普斯研究所(The Scripps Research Institute)做了兩年博士後研究,2006 年他回國進入中研院基因體中心,開始深入參與許多生物學研究。他從疫苗相關的題目,接觸免疫學,了解細胞膜上的分子構型深深影響生理運作,進而關注在醣分子的研究上。

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一醣一世界

醣類在人體內除了供應能量之用外,其實它本身的複雜結構還有著更多的生理角色,醣分子是細胞辨識的標記,也影響著細胞傳遞訊息,也因此醣科學在近年成為一個蓬勃發展的學門。

目前醣化學領域的兩個重要問題包括:一、演化上越高階的生物體醣化的方式越複雜,並花費很大的能量合成與修飾醣類,顯示醣化與生物體的功能演進高度相關;二、癌細胞表面醣類的構型和正常細胞的不太一樣,它們有哪些影響?

鑽研了近十年,吳宗益認為醣化學領域中未知的問題仍然很多,「在我接下來幾十年的研究工作裡,我能夠解決這裡面的一、兩個重要的問題,那已經不簡單了。」因此並未想到再轉向去研究其他的問題。

沒想過要出國,就是留在臺灣

吳宗益碩士班畢業時就結婚了,也因此他沒想過出國攻讀博士學位。他笑說:「那時候只是怕考不上研究所。」一心一意的就是要留在臺灣好好完成學業。雖然他之後到了美國做博士後研究,因為是領取公費補助,兩年後也必須回國。吳宗益說會留在學術單位是由於喜歡做創造性的工作,所以不考慮進入大多在改善製程、做固定產品的工業界;又因為比起教學他更志在研究,於是最後進入中研院。

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吳宗益所受的研究訓練幾乎是在國內養成,問他臺灣研究環境跟在國外兩年所見有何差異?他覺得中研院的硬體設備其實更好,「最大的不同,是想問題的角度,臺灣學生自己想題目的動力較少。」通常學生都全盤接受老師分配的題目,或許是學生太「尊師重道」,不太敢反駁老師。「在國外看到學生和指導教授爭得面紅耳赤,是稀鬆平常的事。」在「探討問題」面前,人人的地位是平等的。他很認同許多好的研究其實也不是原先所意料的樣子,有了懷疑和不斷改變策略,或許會有更好的發展。

就國內外博士的程度差別來說,吳宗益認為在英文能力上難免有落差,但這是可以克服的,如有參加國外研討會或國際合作的需求,就會去增進練習;另外現在資訊發達,可以透過網路了解各地學者的研究內容,並與他們溝通聯繫。所以待在國外和國際觀沒有直接關係。他覺得有志學術研究不一定要出國,而是個人適性選擇,例如日本因為國內有很完整的學術訓練,學生就不太會選擇出國,因為留學歸國的人有時候反倒不容易融入已自成體系的學術圈。吳宗益認為:「你在選擇題目時,怎麼去看問題,會比較重要。」訓練找到重要問題的能力,比單單「在國外待很長的時間」還有用。

怎麼選擇重要的題目?

在中研院裡,他很推崇一個稱為「mentor system」的制度,這對年輕學者很有幫助。院內的研究人員,每隔一段時間就能與國內外頂尖的學者討論所從事的課題,甚至會受到嚴厲的批評,但這樣的過程能夠適時的提醒年輕研究者投入的方向與策略,不會一個人埋頭鑽牛角尖。就像他和翁啟惠討論時可得到很棒的啟發,讓他在醣研究上一路挺進。

從化學到生物領域,等於進入一座新的、龐大複雜的知識寶山,吳宗益不可能一下子全部吸收,他的方法是先從一個點開始,例如針對某種疾病,找出相關的醣分子將之合成出來,確定結構之後再往回推究原因,看看實際上哪些相關機制出了問題,以此來解析問題會稍微簡單一些。

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談到獲得了醣科學「年輕研究學者獎 」,吳宗益覺得獲獎固然是榮譽,但「好像沒有那麼大的差別」,因為從獲獎前到獲獎後,他依然是不斷的在醣科學領域努力!不過他想這可能有鼓舞國內年輕學者的作用吧,一般他們較不敢主動申請國際獎項。其實不用妄自菲薄,當初也是翁啟惠建議他主動申請這個獎項的,主動出擊就可能有機會。

基礎與實用之間

政府推動國內生技產業的計畫進行十多年了,問到吳宗益如何看待國內生技產業,他表示相當樂觀,認為熱度持續在加溫中。就如他們實驗室所研發的東西很多都有專利,而且不少技術已轉移給能夠承接的生技公司。但在許多實驗室紛紛以技轉為研究目標的同時,吳宗益也提醒,研究人員不必一窩蜂追求熱門主題,基礎的研究還是需要有人做,研究只要有價值就會有產出。

高中生選大學校系也是,他建議還是要依照自己的興趣。吳宗益雖然對數學苦惱,但兒子對數學卻展露出興趣和天分,他納悶說:「不曉得他自己怎麼弄會的?」他鼓勵兒子朝自己喜愛的方向發展,如果不確定要唸哪些應用性質的科系,就選數學系也不錯。「基礎科學就像練武功,練好內力,其他的招數也很容易能練成。」吳宗益舉例就像是《金庸》裡的張無忌先練成了九陽神功,才會在短時間內練成乾坤大挪移。他贊同有些大學推行大一、大二不分系的學制,不一定早早就要下決定選系,多體會之後再轉換跑道發展也可以。

他等待學生,太太等待他

吳宗益目前的研究人力大多是博士後研究人員,他解釋大學因為擔負教育的義務,所以研究主力是學生;但中研院是研究單位,所以希望是已受過訓練的人員加入。他帶領部屬的方式,一如他過去的老師,也是給予一個方向,然後等待,沒有太多限制,最後再看看他們需要什麼幫助。他建議研究生衡量自己的能力和興趣選擇實驗室,如果是個性較被動的人,跟著小實驗室的新老師一步一步地做研究,能夠學到很多;而大實驗室的老師大多很忙碌無法親自指導學生,但有充裕的資源,適合能自主做研究的人。

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吳宗益做合成化學所投入的時間非常多,他懇切的說,研究人員必須要耐得住做實驗的寂寞與結果不如預期的挫折。事實上,吳宗益很乾脆的承認自己在家庭與研究間沒有達到平衡,他語氣有點抱歉地認為,自己撥給太太的時間沒有很多,「我太太說跟我談話還要抽號碼牌──而且都是最後一號。」雖然沒有言明,但可以想見吳宗益感謝太太的體諒,並做為他最強大的後援支柱,讓他能夠無後顧之憂的在研究領域中不斷前進,探索化學的美好。

2016-02-cover

 

〈本文選自《科學月刊》2016年3月號〉

延伸閱讀:

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快!還要更快!讓國家級地震警報更好用的「都會區強震預警精進計畫」
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/01/21 ・2584字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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本文由 交通部中央氣象署 委託,泛科學企劃執行。

  • 文/陳儀珈

從地震儀感應到地震的震動,到我們的手機響起國家級警報,大約需要多少時間?

臺灣從 1991 年開始大量增建地震測站;1999 年臺灣爆發了 921 大地震,當時的地震速報系統約在震後 102 秒完成地震定位;2014 年正式對公眾推播強震即時警報;到了 2020 年 4 月,隨著技術不斷革新,當時交通部中央氣象局地震測報中心(以下簡稱為地震中心)僅需 10 秒,就可以發出地震預警訊息!

然而,地震中心並未因此而自滿,而是持續擴建地震觀測網,開發新技術。近年來,地震中心執行前瞻基礎建設 2.0「都會區強震預警精進計畫」,預計讓臺灣的地震預警系統邁入下一個新紀元!

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連上網路吧!用建設與技術,換取獲得地震資料的時間

「都會區強震預警精進計畫」起源於「民生公共物聯網數據應用及產業開展計畫」,該計畫致力於跨部會、跨單位合作,由 11 個執行單位共同策畫,致力於優化我國環境與防災治理,並建置資料開放平台。

看到這裡,或許你還沒反應過來地震預警系統跟物聯網(Internet of Things,IoT)有什麼關係,嘿嘿,那可大有關係啦!

當我們將各種實體物品透過網路連結起來,建立彼此與裝置的通訊後,成為了所謂的物聯網。在我國的地震預警系統中,即是透過將地震儀的資料即時傳輸到聯網系統,並進行運算,實現了對地震活動的即時監測和預警。

地震中心在臺灣架設了 700 多個強震監測站,但能夠和地震中心即時連線的,只有其中 500 個,藉由這項計畫,地震中心將致力增加可連線的強震監測站數量,並優化原有強震監測站的聯網品質。

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在地震中心的評估中,可以連線的強震監測站大約可在 113 年時,從原有的 500 個增加至 600 個,並且更新現有監測站的軟體與硬體設備,藉此提升地震預警系統的效能。

由此可知,倘若地震儀沒有了聯網的功能,我們也形同完全失去了地震預警系統的一切。

把地震儀放到井下後,有什麼好處?

除了加強地震儀的聯網功能外,把地震儀「放到地下」,也是提升地震預警系統效能的關鍵做法。

為什麼要把地震儀放到地底下?用日常生活來比喻的話,就像是買屋子時,要選擇鬧中取靜的社區,才不會讓吵雜的環境影響自己在房間聆聽優美的音樂;看星星時,要選擇光害比較不嚴重的山區,才能看清楚一閃又一閃的美麗星空。

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地表有太多、太多的環境雜訊了,因此當地震儀被安裝在地表時,想要從混亂的「噪音」之中找出關鍵的地震波,就像是在搖滾演唱會裡聽電話一樣困難,無論是電腦或研究人員,都需要花費比較多的時間,才能判讀來自地震的波形。

這些環境雜訊都是從哪裡來的?基本上,只要是你想得到的人為震動,對地震儀來說,都有可能是「噪音」!

當地震儀靠近工地或馬路時,一輛輛大卡車框啷、框啷地經過測站,是噪音;大稻埕夏日節放起絢麗的煙火,隨著煙花在天空上一個一個的炸開,也是噪音;台北捷運行經軌道的摩擦與震動,那也是噪音;有好奇的路人經過測站,推了推踢了下測站時,那也是不可忽視的噪音。

因此,井下地震儀(Borehole seismometer)的主要目的,就是盡量讓地震儀「遠離塵囂」,記錄到更清楚、雜訊更少的地震波!​無論是微震、強震,還是來自遠方的地震,井下地震儀都能提供遠比地表地震儀更高品質的訊號。

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地震中心於 2008 年展開建置井下地震儀觀測站的行動,根據不同測站底下的地質條件,​將井下地震儀放置在深達 30~500 公尺的乾井深處。​除了地震儀外,站房內也會備有資料收錄器、網路傳輸設備、不斷電設備與電池,讓測站可以儲存、傳送資料。

既然井下地震儀這麼強大,為什麼無法大規模建造測站呢?簡單來說,這一切可以歸咎於技術和成本問題。

安裝井下地震儀需要鑽井,然而鑽井的深度、難度均會提高時間、技術與金錢成本,因此,即使井下地震儀的訊號再好,若非有國家建設計畫的支援,也難以大量建置。

人口聚集,震災好嚴重?建立「客製化」的地震預警系統!

臺灣人口主要聚集於西半部,然而此區的震源深度較淺,再加上密集的人口與建築,容易造成相當重大的災害。

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許多都會區的建築老舊且密集,當屋齡超過 50 歲時,它很有可能是在沒有耐震規範的背景下建造而成的的,若是超過 25 年左右的房屋,也有可能不符合最新的耐震規範,並未具備現今標準下足夠的耐震能力。 

延伸閱讀:

在地震界有句名言「地震不會殺人,但建築物會」,因此,若建築物的結構不符合地震規範,地震發生時,在同一面積下越密集的老屋,有可能造成越多的傷亡。

因此,對於發生在都會區的直下型地震,預警時間的要求更高,需求也更迫切。

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地震中心著手於人口密集之都會區開發「客製化」的強震預警系統,目標針對都會區直下型淺層地震,可以在「震後 7 秒內」發布地震警報,將地震預警盲區縮小為 25 公里。

111 年起,地震中心已先後完成大臺北地區、桃園市客製化作業模組,並開始上線測試,當前正致力於臺南市的模組,未來的目標為高雄市與臺中市。

永不停歇的防災宣導行動、地震預警技術研發

地震預警系統僅能在地震來臨時警示民眾避難,無法主動保護民眾的生命安全,若人民沒有搭配正確的防震防災觀念,即使地震警報再快,也無法達到有效的防災效果。

因此除了不斷革新地震預警系統的技術,地震中心也積極投入於地震的宣導活動和教育管道,經營 Facebook 粉絲專頁「報地震 – 中央氣象署」、跨部會舉辦《地震島大冒險》特展、《震守家園 — 民生公共物聯網主題展》,讓民眾了解正確的避難行為與應變作為,充分發揮地震警報的效果。

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此外,雖然地震中心預計於 114 年將都會區的預警費時縮減為 7 秒,研發新技術的腳步不會停止;未來,他們將應用 AI 技術,持續強化地震預警系統的效能,降低地震對臺灣人民的威脅程度,保障你我生命財產安全。

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跨越五十年的醣化學之旅——翁啟惠院長專訪
研之有物│中央研究院_96
・2022/11/19 ・7078字 ・閱讀時間約 14 分鐘

本文轉載自中央研究院研之有物,泛科學為宣傳推廣執行單位。

台灣知名科學家:翁啟惠院長

如果問民眾「臺灣有哪些知名的科學家?」翁啟惠肯定是經常出現的答案。翁啟惠是國際知名醣化學家,曾擔任兩屆中央研究院院長,任期內積極將基礎科學與生醫產業串連起來。另一方面,翁啟惠也是投身研究 50 年的資深學者與好老師,共培養超過 500 位優秀弟子;他同時也是中研院、美國國家科學院的院士,更獲得沃爾夫化學獎、威爾許化學獎、四面體化學獎等榮譽。中研院「研之有物」專訪院內基因體研究中心合聘特聘研究員翁啟惠院士,向讀者介紹他一路走來的心路歷程。

圖│研之有物(資料來源|翁啟惠)

從臺大、中研院到 MIT的化學之旅

翁啟惠學術能量依舊飽滿,他是斯克里普斯研究院(Scripps Research)與中研院合聘的研究人員,兩邊各自都有實驗室和學生,受訪當天他本人在美國加州,透過視訊與「研之有物」團隊連線。

至今已 74 歲的醣化學大師翁啟惠,他是嘉義出生的子弟,初中考上臺南一中,高中三年級本已保送清華大學化學系,不過因為想挑戰臺大醫學系而赴考,可惜生物不好,加上自己喜歡化學,便進了第二志願臺大農業化學系。大學畢業,退伍後他隨即投身於科學研究,算算日子,已經是漫長的 50 年時光。

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翁啟惠原本就喜歡研究,他退伍後跟著恩師臺大化學系王光燦教授擔任助教一年後,再跟王教授來到中研院擔任助理,當時(1972 年)正值中研院生物化學研究所草創時期。後來翁啟惠升任「助理研究員」(類似大學的講師,目前已無此職位),前後服務長達 8 年,期間於 1977 年在職獲得碩士學位,碩論主要為臺灣蛇毒蛋白的合成,是翁啟惠多年來的研究成果。

王光燦(左)帶領翁啟惠(右)進入化學的研究殿堂,圖為 1999 年王光燦的退休餐會上,翁啟惠贈與恩師紀念品。
圖│翁啟惠

儘管翁啟惠出國前已發表超過 30 篇論文,小有所成,他依然希望更上層樓,因此 1979 年前往美國的麻省理工學院深造,接受恩師化學系教授喬治·懷特賽茲(George M. Whitesides)的指導。翁啟惠回憶,自己後來教育學生的理念與作法,多源自懷特賽茲的啟發。具備相當基礎之下,翁啟惠花費 3 年取得有機化學博士學位,又經歷 1 年哈佛大學的博士後研究,1983 年他就成為德州農工大學(Texas A&M University)的助理教授。

冷門且困難的「醣化學」

翁啟惠擅長的領域是「酵素化學」與「醣化學」,醣化學是什麼呢?翁啟惠解釋,維繫生命的蛋白質、核酸、脂質、醣類這些物質,以醣類最為複雜。除了材料化學的應用之外,翁啟惠選擇探索醣分子在生物醫學方面的應用。

醣類的結構變化多端,而且不容易人工合成。而翁啟惠的過人之處,正是出色的醣類合成能力!後來讓他奠定宗師地位的一鍋式酵素合成法程式化一鍋合成法醣晶片,到最近的廣效去醣化疫苗等研究主題,都歸功於他堅強的化學合成基礎。

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我們已經知道翁啟惠是醣化學的先驅,不過其實到博士畢業前,他大部分仍著重於蛋白質的合成,直到獨當一面後,才正式投身醣類。因為在當時的學界,核酸、蛋白質才是顯學,醣化學是非常冷門的領域,即便今日也不算太熱門,更是難以想像應用於研究疾病。

因此,翁啟惠早期在美國當助理教授時,曾經無法申請到研究經費,甚至有計畫評審認為他誤入歧途,所幸他的前瞻理念於 1986 年受到美國總統年青化學家獎(Presidential Young Investigator in Chemistry)的賞識,支持他站穩腳步,1987 年升任教授,才有後來的持續突破。

使用「酵素」來合成醣類

過去醣類研究不但冷門,而且難以合成,翁啟惠為什麼有勇氣選擇如此困難的題材?他的信心來自「酵素」 ,也就是生物用來催化反應的特殊蛋白質。傳統化學手段難以合成的複雜產物,有機會利用酵素來克服。

翁啟惠提到,1970 年代分子生物學興起,新問世的基因改造潛力無窮,人造胰島素開啟生技產業的濫觴;但是 1980 年代時,化學家多半仍很少接觸基因重組技術。他算是首波使用基因重組酵素,實現醣分子的化學合成。

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翁啟惠強調,很多新聞報導說他是生物醫學或生物科技專家,但其實他本質上一直是化學家,探索分子層次的操作,研究醣分子與醣蛋白的有機合成,只是醣化學研究的應用涉及生物醫學領域,介於化學和生物的交界。

做出過人成績後,翁啟惠成為各大研究機構爭邀合作的化學人才,本來預備前往加州的史丹佛大學。不過同樣在加州的斯克里普斯研究院(Scripps Research)半途冒出,院長勒納(Richer Lerner)親自邀請他過去瞧瞧。當時擅長生醫的 Scripps 想拓展至化學領域,正在招募人才,而涉足生物的化學專家翁啟惠正是合適人選。

Scripps 研究院是世界最好的研究機構之一,只收博士生,不僅有多位諾貝爾獎得主,更培育出不計其數的人才。翁啟惠回憶,他原本也對 Scripps 研究院不熟,Scripps 當時還沒有化學部門,但沒想到相談甚歡,1989 年他受邀擔任新成立的化學系講座教授,一做就做到 2006 年。現在,Scripps 研究院在化學生物領域是全美第一。

圖│翁啟惠

Scripps 研究院不僅環境怡人,學術資源也豐沛,讓翁啟惠能專注研究,而不必為經費擔憂。如今,他再度成為 Scripps 研究院的講座教授(Chair Professor),美國講座教授會有一筆來自民間的捐助基金,有充裕的學術資源可供自由運用。翁啟惠感慨地說,臺灣的學術捐款多為建造大樓等硬體,可是支持人才更重要, 這是未來臺灣值得學習的方向。

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醣化學原本是乏人問津的領域,然而翁啟惠開創了醣分子的有機合成方法,讓醣化學逐漸受到重視,他也獲得一系列耀眼成就。翁啟惠 2002 年當選美國國家科學院的院士,接著又榮獲多項化學領域的一級大獎:2014 年得到沃爾夫獎(The Wolf Prize),2021 年是威爾許獎(Welch Award),2022 年又獲頒四面體獎(Tetrahedron Prize)。

翁啟惠近年在化學領域不斷獲獎,也讓許多人好奇,再來會是諾貝爾化學獎嗎?

對於這個問題,翁啟惠認為可遇不可求,得獎也講究機運。不過每次獲獎,他都覺得是很好的鼓勵,激勵他繼續往前走。更重要的是,翁啟惠不是單打獨鬥,每次獎項表揚的成就,背後都是整個團隊的努力,因此這些榮譽正是對他整個團隊的肯定。

教師之夢:遍布全世界的學生

說到培養人才,這也是翁啟惠的強項,可惜過去媒體報導翁啟惠時卻很少觸及教育。談論如何作育英才的心得,翁啟惠眼睛炯炯有神,隔著太平洋都能感受到湧出螢幕的教育熱情。

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翁啟惠表示他小學時就想當老師,也是一輩子的志願。看到學生有成就,就會覺得很欣慰。他至今指導過的學生與博士後超過 500 位,遍及世界各地,包含美國、日本、韓國、英國、法國、德國、比利時等國家。儘管他自嘲也不是全世界都有,像是北韓就沒有學生。

翁啟惠對教學的想法,奠基於博士班老師懷特賽茲和自己長年的實踐經驗。談到臺灣學生,他特別指出必須加強兩點訓練:獨立思考與表達能力

表達為什麼重要?試想,一個人花費多年辛苦取得學位,去應徵工作,卻只有幾分鐘能夠展現。善於表達,才能讓人覺得你的工作重要,呈現意圖以實現目標。而翁老師的第一課,總是在他與學生第一次碰面立刻開始:「為什麼找我當指導教授?」。給他滿意的回答,才能成為他的學生,成績並非最優先的考量。

翁啟惠(左1)對教學的想法,奠基於博士班老師懷特賽茲(右1)和自己長年的實踐經驗。談到臺灣學生,他特別指出必須加強兩點訓練:獨立思考與表達能力。
圖│翁啟惠

培養學生獨立思考與研究的能力

翁啟惠的指導理念是「指示不要太詳細」,讓學生自己想問題、找資料、設計實驗。他只負責給大方向、從旁協助。因為講的太過具體,反而會限制學生獨立發展的空間。

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翁啟惠更精闢地剖析: 由學生獨立完成的成果,才會認為是自己的成績。否則即使成果再好,學生也可能覺得那是老師的東西,不是自己的成就。當學生獲得成功經驗,對自己有信心,此後便能更加獨立,建立正向循環。

另一方面,由於學生有大片空白可以填補,所以想法和能力不會受到過去積習所影響。翁啟惠提到,他有很多超乎預期的重要研究,是來自學生自己的嘗試。例如,研發出自動化一鍋式合成醣分子的歐曼(Ian Ollmann),原本在博士班四年級仍苦無突破,翁啟惠建議他發揮寫程式的專長,果然順利完成發表,後來甚至還轉戰高科技龍頭蘋果公司,至今已工作超過 20 年。

不過,讓學生自己摸索,失敗怎麼辦?翁啟惠認為失敗為成功之基礎,學生經歷失敗,才能培養耐心,累積應付挫折的經驗,打下未來成功的基礎。做研究的關鍵在於興趣,只要保持興趣,失敗也能學到新東西,而成功則能增強信心,有利於繼續成功。翁啟惠也鼓勵學生,與其等待老師指導,不如勇於嘗試、放手去做。

程式化一鍋多醣合成技術示意圖。
圖│研之有物(資料來源|中研院基因體中心資訊組)

研究院院長時期:積極推動產學交流與合作

翁啟惠任職 Scripps 研究院的期間,茁壯為世界第一流學者,各國爭相合作。如此耀眼的旅外人才,自然也受到當時中研院院長李遠哲賞識,促成翁啟惠於 2003 年回到臺灣,並在 2006 年到 2016 年擔任了兩屆院長。

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翁啟惠除了提升中研院的學術水準,他最重要的任務莫過於推動生物科技產業。因為翁啟惠認為產學互利共生很重要,有好的產業才能吸收廣泛的人才,例如臺灣的半導體產業,可以讓理工科系學生不愁出路,產生正向循環。

但另一方面,生物科技已成為各個科技大國的明星產業,臺灣每年有大批醫藥、生技的人才,卻沒有相應規模的產業,無法人盡其才。

為了推動生技產業,法規制度與產學合作園區都不可或缺。翁啟惠參考美國 1980 年的拜杜法案(Bayh-Dole Act),與專家合作完成臺灣版本的法規,將產學合作、技術轉移制度化。

法規的主要精神,就是由政府補助學術研究,做出初步成果後,再技術轉移給業者尋求商業化,後續再回饋給學術形成正向循環。園區方面,國家生技研究園區、中研院南部院區,都隨著翁啟惠的規劃步上軌道,讓基礎研究和產業創新能夠連結。

當然,產學間的轉換並不總是那麼順利。不過翁啟惠認為,如果學者發表的論文成果,同時也能促進產業,讓社會一同受益更好。這倒不是說所有學者都要投入產學合作,而是要慢慢建立起產學合作的文化,將研發成果回饋給社會。

往好處看,臺灣的生技產業與產值都持續進步中,而這條路依然任重而道遠。

產學合作的新潛力

翁啟惠是純學術研究出身,為什麼後來卻相當熟悉產學合作呢?時光要回溯到 1985 年。那時翁啟惠獲頒席艾勒學者生物醫學獎(Searle Scholar Award in Biomedical Sciences)——這是他少數獲得的生醫獎項之一,加上總統年青化學家獎,使他在美國學術界站穩腳步,也讓他有擔任企業顧問的機會。

從杜邦公司開始,初出茅廬的翁啟惠自認什麼都不懂,跟著前輩們邊看邊學,解決一家又一家企業的疑難雜症,而業界的顧問經驗同時也支持著自己想做的研究。翁啟惠逐漸累積產業經驗後,發現產學目標很不一樣,學者要優先發表論文,企業則是產品導向,講究解決問題。

訪談之中,翁啟惠回顧幾件很有意思的顧問經驗。例如,有公司希望解決可樂中代糖「阿斯巴甜」(Aspartame)在高溫下產生甲醇毒素的問題。也有公司想要改良汽車外層鍍膜,避免鳥糞腐蝕。

另外還有一個香菸公司的邀請讓翁啟惠印象深刻,那時很多重度菸癮者抽到頭痛,產品只能先緊急下架,菸商損失慘重;後來查明是製菸的紙漿中存在微量有害物質,若短時間抽很多根菸,大量攝取下會有立即危害。

這些顧問工作,很多都和翁啟惠醣化學的本業無關,卻帶給他開闊的視野與企業經驗。我們也可以注意到,美國政府與產業界相當有心培育有潛力的人才,即便尚無業界經驗,也願意讓新人去嘗試擔任顧問。

翁啟惠提到,美國東岸的新英格蘭周邊,是產業歷史最悠久的地區,也分佈許多老牌大企業;西岸的加州則不同,主要是新創小公司。不同地方各有特色,衍生出多變的產學文化。

相比之下,臺灣也具備潛力,就看經營出什麼文化。翁啟惠認為,我們已經建立民主自由的社會,若要更上層樓,臺灣萬萬不可孤立,要主動與國際交流,並發展自己的特色。

有交流,創意的火花才有可能碰撞,或許那個坐在你隔壁的人,就是未來的合作夥伴!翁啟惠提到,總部位於加州聖地牙哥,以基因定序闖出名號,至今仍蓬勃發展的因美納(Illumina)公司,其共同創辦人沃特(David Walt),正是他在麻省理工學院實驗室的同儕!有次邀請沃特到 Scripps 演講,剛好聽眾中有兩位感興趣的投資者,演講結束之後,沃特便與兩位投資者私下討論,就創辦了 Illumina 公司。

醣無所不在!未解的謎題還等著研究

儘管投身學術研究 50 年,醣化學將近 40 年,翁啟惠絲毫沒有停下腳步的意思。當訪問到「醣化學還有什麼潛力?」,一如談教育時的熱情,翁啟惠又展現出科學家對研究的熱愛。

在翁啟惠眼中,醣類有太多謎團等待解答。生物基因以 DNA 承載遺傳訊息,製作蛋白質行使功能,但是時常還要加上醣的參與,偏偏醣類不像核酸、蛋白質容易摸索。醣分子無法複製,只能用化學合成,細胞表面佈滿的醣分子結構不對,功能就不同。

以抗體為例,抗體是一種醣蛋白,我們知道抗體靠著專一性辨識去附著目標,消滅病毒。相對卻少有人意識到,抗體的一端附著目標後,另一端還要連接免疫細胞轉入後續反應才能消滅病毒,這步正是依靠醣分子,因此醣類會影響抗體的免疫功能

相對的,病毒需要依賴宿主細胞以便大量複製。不同細胞會賦予蛋白質產物不同的醣化修飾。研究發現即使遺傳物質相同的病毒,假如病毒外頭的醣化修飾不同,也會影響感染能力及免疫反應。由上呼吸道細胞產生的新冠病毒,感染力就比其他細胞更強。

對於開發疫苗,翁啟惠近年投入不少心血。疫苗刺激產生的抗體講究專一性,研發者要想辦法針對病毒結構來調整抗體及 T 細胞反應。翁啟惠與研究團隊的思路卻是另闢蹊徑,並非將病毒露出來的表面設為目標,而是要去掉病毒外層的「醣」衣,也就是「去醣化疫苗」。

因為病毒暴露在外的部分會持續改變,躲避特定抗體,但是被醣基包裹的位置不太會變,或許是人體免疫記憶更好的訓練對象。以此概念製成的蛋白質或 mRNA 疫苗,若是成功,便有機會成為所謂的「廣效疫苗」,接種一款疫苗就能應付病毒的多型變化,特別是難纏多變的流感病毒、冠狀病毒(例如 SARS-CoV-2)。

新冠病毒(SARS-CoV-2)的棘蛋白上面有醣化修飾(標示為橘色),醣基包裹的位置不太容易突變,因此去除表面的醣化修飾之後,可以進一步製成廣效疫苗。
圖│研之有物(資料來源|翁啟惠、中研院基因體中心)

除此之外,翁啟惠團隊也持續開發廣效癌症疫苗。用抗體對付癌症的想法十分誘人,其難處在於,疫苗刺激產生抗體,辨識外來入侵的異物加以攻擊;但是癌細胞是人體細胞變異産生,上頭存在的成分正常細胞常常也有,設定癌細胞打擊,反而會造成自體免疫的悲劇。

好消息是,癌細胞外頭有些醣化修飾,不同於正常細胞。翁啟惠的隊伍尋獲 Globo H 等幾個醣類分子,適合作為疫苗針對的目標。相關技術已經轉移給業者,正在進行第三期人體臨床試驗。這些圍繞醣分子作文章的創新疫苗令人期待,最終是否能投入實戰,仍有待分曉。

關於醣化學,翁啟惠將持續探究細胞表面醣分子所扮演的角色,以及醣分子和疾病的關係。

給年輕學生的話:「興趣是研究的動力

翁啟惠語重心長地提到,醣化學領域如今的樣貌取決於他們這些開拓者,未來則要看能否引發年輕人的興趣,因為未來是年輕人的。

現今教育強調跨領域,翁啟惠自己無疑也是跨領域的知名化學家,但是他提醒年輕人,跨領域絕對不等於什麼都要學、都要會。基礎還是要打好,跨領域的關鍵是有能力與其他領域的人互動合作。

翁啟惠近期便以國家生技醫療產業策進會會長的角色,積極促進醫界與電子業的對話。因為醫界知道市場需求,但不懂得製造;電子業擅長製造,但是對醫療需求沒有深刻理解。他希望營造合作交流的環境,創造新的可能性。

最後,翁啟惠提醒學生,做研究一定要長期投入,深入鑽研,若是短短幾年就轉換領域,只會愈來愈迷茫。興趣對研究生涯最重要,有興趣才有動力,而興趣的培養則來自日常的自我探索。

翁啟惠建議學生在跨領域之前,基礎還是要打好,而跨領域的關鍵是有能力與其他領域的人互動合作。
圖│翁啟惠
研之有物│中央研究院_96
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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

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肌肉肝醣的多寡,決定耐力體能的好壞:認識運動關鍵營養成分「醣類」
社團法人台灣國際生命科學會_96
・2020/01/07 ・2501字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 582 ・九年級

  • 作者/郭家驊,台北市立大學體育學院院長

研究顯示:耐力體能好的人,死亡率較低,而影響耐力體能的因素有哪些呢?本期 ILSI Taiwan 專欄邀請台北市立大學體育學院院長郭家驊特聘教授撰文,解析運動關鍵營養成分──「醣」,並一步步串聯起它與「肌肉肝醣」、「耐力體能」、「死亡率」之間的層層關聯,最後提出能增加肝醣儲存、改善身材的具體建議。如此生活化的精彩內容,千萬別錯過!

運動關鍵營養成分—「醣」,與「肌肉肝醣」、「耐力體能」、「死亡率」之間的具有高度關聯性。圖片來源:Pornsawan Sangmanee

耐力體能好,存活機率高 

國際著名的醫學期刊《美國醫學會雜誌》( The Journal of the American Medical Association, JAMA ) 早期的大樣本研究結果顯示,人體運動耐力的好壞可以預測未來的存活機率。

此研究設計為每五年測量一次受試者的耐力體能,發現未來死亡率由低到高的群體依序為:維持好耐力者、耐力退化後恢復者、兩次檢測耐力皆較差者,無論是 20-40 歲、 40-50 歲、 50-60 歲到 60 歲以上等不同年齡的群體均呈現一致的結果,死亡風險的差距可由 4 倍(60 歲以上)到 10 倍(20-40 歲)。

而決定耐力體能的兩大營養因素為:水分肌肉肝醣,本文僅討論後者。

肌肉肝醣的多寡,決定耐力體能的好壞

人體肌肉在安靜狀態下主要以消耗脂肪組織的「脂肪」為主,而在運動過程中肌肉則以大量消耗「三磷酸腺苷( adenosine triphosphate, 以下簡稱 ATP )」為主。支撐 ATP 快速生產的能源主要來自於肌肉內儲存的肝醣 ( glycogen ),雖然血糖也會在肌肉快速收縮時加速滲入肌肉內,但細胞膜轉運過程較慢,仍緩不濟急。

肝醣的優勢在於它已儲存在細胞內部,當氧氣還來不及進入肌肉時,肝醣便可迅速分解為葡萄糖,透過無氧代謝快速釋放能量,以維持肌肉內 ATP 濃度恆定,使肌肉在高速挑戰下仍可正常運作。相對的,脂肪無法在缺乏氧氣時分解,因此只能作為人體安靜狀態下的主要能源。在進行超過 1 分鐘的最大負荷高強度運動時,肌肉肝醣決定了耐力體能的好壞。

澱粉:補充肌肉肝醣的最佳來源

人體肝醣的結構與植物中的澱粉註1類似,都是由葡萄糖所構成。因此,要使運動後迅速恢復肌肉肝醣的最佳方法就是攝取澱粉。運動後要迅速恢復肌肉肝醣,澱粉比果糖的效果更好。由於肌肉對果糖的吸收運轉機制較弱,飲食攝取的果糖大部分被肝臟吸收,果糖對肌肉肝醣儲存的貢獻極小,故大多數市面上買到的果糖飲料並非補充肌肉肝醣的最佳來源。

高強度運動:促進肌肉儲存肝醣的能力

運動挑戰會使肌肉產生適應能力,即消耗肝醣能提高肌肉肝醣的儲存能力,對某些人而言,運動 2-3 天後的肌肉可增加 2 倍的肝醣儲存量。在飯後胰島素正常分泌的狀態下,人體內 85 %的葡萄糖會儲存到肌肉組織。因此,肌肉儲存醣的能力愈好,血糖控制的能力也愈佳。

一般休息、做家事,以及走路等相對靜態的活動對於肌肉肝醣的消耗可說是微乎其微。這些微量活動的過程,由於氧氣供應充足,肌肉主要消耗血液中來自脂肪組織的脂肪酸。因此,若要增加人體飯後的葡萄糖儲存空間以降低血糖,須要仰賴高強度運動,當挑戰的肌肉群愈多、強度愈高,將愈能避免飯後碳資源被儲存到肌肉以外的位置,如:脂肪組織與肝臟等,可達到「增加控制血糖能力」與「避免腹腰部肥胖」雙重目的。

「醣類/蛋白質的攝取比例」會影響壽命?

「高澱粉、低蛋白」的飲食習慣是沖繩居民長壽的秘訣。圖片來源:Blue Zones-Okinawa, Japan

醣類攝取的多寡是否會影響壽命?較有名的研究來自於百年人瑞比例極高的日本沖繩,當地人大多採取高澱粉、低蛋白的飲食模式。有趣的是,如果沖繩人移居日本本島生活,其原先心臟病與代謝症候群的保護效果便消失。在知名的動物隨機介入研究 ( Geometric Framework for Nutrition ) 也發現類似的證據,即獲得「高澱粉、低蛋白」飲食介入的動物壽命最長。

人體研究目前的主要限制在於,完全沒有隨機分組研究報告 ( Randomized control trial ) 能證明醣類(即澱粉類)攝取的比例是否會影響壽命,現有的人體研究證據多是以做完飲食問卷後進行分組,觀察各組在一段時間後的死亡率。

由於飲食攝取偏好也與許多其他影響死亡率的行為,如:教育水準、吸菸、家庭等具有高度相關,故不是最完美的科學證據。此外,追蹤時間不夠長的研究(小於 15 年),預測死亡率有效度將大打折扣,無法產生因果關係,不適合當成好的飲食建議依據。

目前只能說在觀察時間較長的研究中,高澱粉、低蛋白的飲食可能對處於體重慢速上升的年輕人與中年人是較好的選擇;至於過了 65 歲後體重開始下降的高齡者,若蛋白質攝取比例較高,未來死亡率則較低。但需注意的是,高澱粉飲食須搭配足夠強度的規律運動,如果每天採取高澱粉飲食卻不運動,則容易產生肥胖。

飲食須搭配適度的規律運動,才能達到健康與維持體重的功效。圖片來源:Lifestock, IPTC Photo Metadata

運動後盡快用餐,擁有肝醣儲存、改善身材雙重效果!

耐力體能為預測未來死亡機率的重要指標,而肌肉肝醣儲存的多寡會直接影響高強度耐力運動能持續多久(即耐力體能的好壞)。運動後迅速回補肌肉肝醣主要的食物來源為澱粉,是人類的重要主食,也是最能誘發胰島素分泌的營養源。

養成運動習慣,可使得這個合成機制移向受挑戰的肌肉組織,使肌肉組織能儲存較多的肝醣與蛋白質,同時使得其他組織,如:脂肪組織與肝臟的能源儲存相對減少,達到身材改變的效果。建議主餐前可先進行消耗肌肉肝醣的高強度運動,運動完及早用餐,儘量不拖延,若拖延用餐時間,增加肝醣儲存、改善身材的兩大效果將大打折扣。

註解

  1. 澱粉:為食物成分,最佳食物來源是「全穀雜糧」。
  • 本文轉載自 ILSI Taiwan-2019年第8期《醣—運動關鍵營養成分》,歡迎喜歡這篇文章的朋友訂閱支持 ILSI Taiwan 喔!
  • 作者/郭家驊│特聘教授
    美國奧斯汀德州大學運動營養學博士,現任台北市立大學體育學院院長、台灣運動營養學會理事長。研究領域為運動營養學、運動與肥胖專論、運動與新陳代謝等。
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創會於2013年,這是一個同時能讓產業界、學術界和公領域積極交流合作及凝聚共識的平台。期望基於科學實證,探討營養、食品安全、毒理學、風險評估以及環境的議題,尋求最佳的科學解決方法,以共創全民安心的飲食環境。欲進一步了解,請至:ww.ilsitaiwan.org