2014年11月3日

蛋白質結晶學在臺灣

解析蛋白質立體結構是探索生命奧秘的重要技術,臺灣科學家的努力不懈使臺灣成為少數擁有蛋白質結晶學設施的國家,未來學術成就也指日可待。

作者/簡玉成(任職國家同步輻射研究中心副研究員)

生命的奧秘儲藏在基因內,基因內的DNA順序決定了基因密碼,而基因密碼產物——蛋白質,則控制了生命系統的運作。要了解並操控生命系統裡的各種生理功能與機制,最有效的方法是研究蛋白質的三維結構。

蛋白質結晶學
蛋白質結晶學是利用單晶X光繞射原理來解析生物巨分子(蛋白質、核苷酸、病毒等)三維結構的一種技術。此技術結合同步輻射光的高亮度及能量可調性,可以大幅提昇蛋白質結構解析的速度、克服更高難度的實驗,成為最具威力亦最成功的結構解析工具之一。

目前全世界已解析出的9萬9千個生物分子結構中,88%是由蛋白質結晶學技術所解析出來。近年來計有6座諾貝爾化學獎(1997、2003、2006、2008、2009 及2012 年)頒發給使用此技術的學者專家,這些統計數據及獎勵次數,證明了蛋白質結晶學在生命科學及醫學領域的重要性、關鍵性及獨特性。

蛋白質三維結構分析
藉由X光晶體繞射法,解析蛋白質結構,探索生命的奧秘。


1. 先將蛋白質高度純化,再讓蛋白質從飽和溶液中慢慢沉澱、析出培養成晶體。蛋白質晶體便是由成千上萬的相同蛋白質所組成。

2. 將X光照射在晶體中規則排列的蛋白分子,晶體中的電子會對X光產生繞射作用。

3. 這些繞射點經由電子偵測器收集,且分析每一點的強度,來推論電子密度的分布情況,就可以推估出蛋白質晶體中每個原子的空間定位。

科學社群的成長
1990年美國匹玆堡大學的汪必成教授,在中央研究院分子生物學研究所(IMB)離修期間,成立了臺灣第一個蛋白質結晶學實驗室,此後IMB陸續招募了許多蛋白質結晶學家,包括來自Richard E. Dickerson(第一個解出右旋B型DNA結構的人)實驗室的袁小琀、汪必成實驗室的蕭傳鐙與王惠鈞實驗室的廖彥銓。

IMB的蛋白質結晶學實驗室為臺灣學術界開啟了美麗的結構生物學,使用此技術來研究生物結構相關課題的學者專家如雨後春筍般的快速增加,包括中央研究院的王惠鈞院士、陳長謙院士、蔡明道院士、馬徹、李宗璘等;國衛院的伍素瑩、國輻中心的陳俊榮、臺灣大學的詹迺立、楊啟伸等;清華大學的王雯靜、孫玉珠等,交通大學的吳東昆、楊進木等,成功大學的王淑鶯、羅玉枝等,陽明大學的廖淑惠、周記源,中興大學的周三和、侯明宏等,以及中央大學、中山大學、臺北醫學大學、長庚大學、中山醫學大學、臺北科技大學、弘光科技大學等。臺灣目前約有50個蛋白質結晶學實驗室在運作,參照其他國家的發展足跡,臺灣蛋白質結晶學社群將會持續蓬勃發展下去。

臺灣的蛋白質結晶學社群也積極與其他區域性或國際性學術組織合作交流,例如與日本結晶學會定期舉辦國際研討會;與亞洲結晶學會主辦亞洲結晶學年會;與亞太國際分子生物學組織及亞洲分子生物學組織合作主辦國際訓練課程等。
中央研究院20周年紀念研討會,蛋白質結晶學家合影。
從左到右依序為:廖彥銓博士(中研院)、John Rose(美國喬治亞大學)、
Edward J. Meehan(美國阿拉巴馬大學)、袁小琀博士(中研院)、
汪必成博士(美國喬治亞大學)以及蕭傳鐙博士(中研院)。

延伸閱讀
1. 張圖南、閻愛德,〈浦大邦― 壹個推動臺灣基礎科學的耕耘者〉,《物理雙月刊》27卷第4期,2005年。
2. 劉源俊,〈浦大邦與臺灣的科學發展〉,《科學月刊》26卷第4期,1995年。
3. 李遠哲,〈勇於創新,精益求精〉,國科會50週年紀念文集,2009年。

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