2009年9月9日

化學到生物 解構蛋白質動態網絡—中研院生化所所長蔡明道專訪

作者/曾琬迪(本刊主編)

生物化學研究所,研究的究竟是生物還是化學?我們又該怎麼定義生物、化學,以及生物化學?中研院生化所所長蔡明道從很簡單的角度切入,釐清了這三者之間的關係:「研究小分子的結構,我們叫它作化學;而研究大分子的結構,事實上就是生化,你也可以稱它做結構生物學;更大的分子聚合體,也就是所謂的有機體(organism),那就是生物了。」這裡提到的大分子,就是生化所一直以來的研究重心——蛋白質。

生命現象的源頭—蛋白質

蛋白質是生物體內真正執行功能的分子,其重要性不言可喻。相較於僅由簡單的4種核酸構成的DNA ,由20種以上的胺基酸所組成的蛋白質,可說是千變萬化。事實上,蛋白質複雜的程度不僅於此。人類的基因體完全解密之後,科學家發現一個現象︰高等生物中,真正有功能的基因或蛋白質只有2~3萬個,跟低等生物比起來,並沒有多多少!那麼,高等生物究竟「高等」在哪裡?為什麼我們能執行那麼多繁複的動作,而細菌卻辦不到呢?這是因為在我們體內的蛋白質有很多的修飾(modification),例如磷酸化(phosphorylation)或是醣化(glycosylation),這些修飾作用讓蛋白質有了更多的變化。

蛋白質修飾的目的是什麼?我們可以用鑰匙跟鎖的關係來打個比方。還沒打過的鑰匙,沒辦法插到鎖裡,不過如果在上面打上適當的孔洞,它就可能找到相對應的鎖頭。蛋白質的修飾,就像是把鑰匙加工的過程,只不過不是打洞,而是加上磷酸或是醣分子;加工後的蛋白質,就可以找到它相對應的鎖頭——另一個蛋白質分子。所以,蛋白質修飾的目的,就是為了要讓別的蛋白質來辨識它,使兩者之間產生交互作用。

當兩個蛋白質碰在一起有了交互作用後,結構會有所改變,這時就可以再去辨識其他的蛋白質。這些蛋白質彼此間的交互作用形成一個訊號鏈,就是所謂的訊號傳遞(signal transduction)。我們之所以能思考,有嗅覺和味覺,都是因為有許多蛋白質在作訊號傳遞。

現在再回到之前的問題,答案就更清楚了: 在高等生物中,蛋白質的修飾和交互作用較低等生物複雜許多,因此能執行更多繁複的功能。低等生物的一個蛋白質,只能做一、兩件事情,高等生物的蛋白質卻可能做一、二十件事;如果再考慮蛋白質之間的交互作用,它們所能達成的功能就可以再乘上好幾倍。這就是為什麼,我們能做的事情遠比低等生物多得多。

結構生物學 解構蛋白質

中研院生化所自1970年創所以來,研究範圍一直圍繞著蛋白質。回顧生化所近40年來的歷程,蔡明道表示:「這段期間生命科學有非常大的變化,大概每5年就有一次大革命,有一些重要的技術發展出來。舉例來說, 30年前要知道一個蛋白質的序列,難度是很高的,我們只能從蛋白質的N端或C端去定出片段的序列;而到今天,從DNA的序列就可以知道蛋白質的序列,就算要定序,用質譜儀也很快就能定出來了,以前要花一年去做的事情,現在可能幾秒鐘就做出來了。」

儀器的日新月異,讓科學家看到更廣大的世界,一個新的研究領域——結構生物學(structural biology)也因此從90年代開始蓬勃發展。所謂的結構生物學,就是以物理方法去研究生命分子結構,進而闡釋生命現象的一門學問。運用結構生物學的三大技術——X光晶體(x-ray crystallography)、核磁共振(NMR)及質譜(mass spectrometry),科學家得以分析出蛋白質的結構及修飾,這是過去所辦不到的。了解蛋白質的結構,對探究其執行功能的機制將有非常大的幫助,於是,中研院生化所自2000 年起,開始將研究重心轉向結構生物學,研究範疇依然不離蛋白質。【更詳細的內容,請參閱第477期科學月刊】

回本期目錄

沒有留言: