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2022-01-01 | PChome書店

研之有物:見微知著!中研院的21堂生命科學課

研之有物:見微知著!中研院的21堂生命科學課
研之有物:見微知著!中研院的21堂生命科學課
作者:中央研究院研之有物編輯群 出版社:時報出版 出版日期:2021-12-22 00:00:00

<內容簡介>

•台灣如何因應全球大流行的COVID-19?
•改造細菌基因,可以把二氧化碳變燃料?
•觀察真菌獵殺線蟲,竟能為寄生蟲防治提供解方?
•人類的斷肢有可能像斑馬魚一樣再生嗎?
•解析大腦神經為什麼會退化,看見治癒失智症的曙光?
•RNA剪接、CRISPR基因編輯,預約醫療大未來?

與中研院院長廖俊智、院士陳建仁等21位生命科學家,
一同打開好奇心、激發想像力,
體驗機智的生命科學大發現!

中央研究院生命科學組匯集台灣頂尖科學家,研究範圍涵蓋植物、生醫、農業、生化、基因等領域,是世界級的生命科學研究重鎮。
透過《研之有物:見微知著!中研院的21堂生命科學課》,中研院研之有物團隊以21位科學家的研究成果為藍本,帶領我們參訪台灣最高學術殿堂,將艱深的學術論文轉譯為淺顯易懂的科普知識,一窺中研院在生命科學領域的重大突破與創見。

本書採訪、收錄以下中央研究院學者團隊之研究成果(依文章序排列):
薛雁冰(分子生物研究所副研究員)
陳振輝(細胞與個體生物學研究所助研究員)
曾庸哲(細胞與個體生物學研究所助研究員)
王忠信(生物多樣性研究中心副研究員)
鍾國芳(生物多樣性研究中心副研究員)
李秀敏(分子生物研究所特聘研究員)
蔡宜芳(分子生物研究所特聘研究員)
王中茹(植物暨微生物研究所副研究員)
徐麗芬(農業生物科技研究中心特聘研究員)
林榮信(應用科學研究中心、生醫轉譯研究中心、生物醫學科學研究所合聘研究員)
潘文涵(生物醫學科學研究所特聘研究員)
陳儀莊(生物醫學科學研究所特聘研究員)
陳俊安(分子生物研究所副研究員)
謝世良(基因體研究中心特聘研究員)
胡哲銘(生物醫學科學研究所副研究員)
陳建仁(院士、基因體研究中心特聘研究員)
林曉青(生物化學研究所副研究員)
廖俊智(中央研究院院長)
郭沛恩(院士、生物醫學科學研究所特聘研究員兼所長)
鄭淑珍(院士、分子生物研究所特聘研究員)
凌嘉鴻(生物化學研究所助研究員)

★專家推薦:

也許我們能和斑馬魚一樣,擁有再生能力?也許我們能夠治療漸凍症?跟著科學家們,來一趟神奇的生命探索之旅吧!——阿任叔叔(科普圖文作家)

覺得中研院裡的研究很高深莫測嗎?有這本書的生動介紹,拉近這些研究與我們的關係,我們終於可以一窺堂奧,看到這些有趣的研究成果了。——阿簡老師(阿簡生物筆記站長)

中研院是做研究的地方,聽起來好像很厲害,但是做什麼研究才能說厲害呢?趕快看書,不然人家會以為我不懂!——寒波(盲眼的尼安德塔石器匠板主)

科學的本質就是探索未知,除了要有好奇心,還要有無可救藥的熱情,《研之有物:見微知著!中研院的21堂生命科學課》將讓你了解中研院科學家的熱情所在!——焦傳金(國立自然科學博物館館長)

這些無奇不有的科學發現實在太有趣了,不能只有專家學者知道!這本好書,將為你揭開實驗室的面紗,見識到生命科學家們努力不懈的初衷!——黃貞祥(國立清華大學生命科學系助理教授)

以前我們總覺得科學教科書裡面的科學家好像都跟我們不太有關係,因為距離感很重,但本書卻打破了這樣的印象,原來傑出的科學研究可以很靠近。《研之有物:見微知著!中研院的21堂生命科學課》集結了中研院生命科學方面最頂尖的研究成果,透過精緻的知識引介與人物側寫,讓我們一窺科技發展的前沿及生命的奧祕,更了解科學背後動人的故事。——黃俊儒(國立中正大學通識教育中心特聘教授、科學傳播教育研究室主持人)

一進中研院大門,就是生命科學實驗室聚集的生科大道。那裡孕育著什麼樣的研究,有著怎麼樣的科學家?這本書打開了一扇窗,將艱深難懂的生醫論文,轉化成淺顯易懂的故事,帶我們一窺堂奧。——趙軒翎(《科學月刊》執行總監)

科學硬道理在中研院的努力之下逐漸軟化開啟,看尖端的研究成果也看科學家的人生,更看見無可限量的未來憧憬。——潘彥宏(北一女中生物科教師)

從大分子、單細胞到複雜的動植物及人,到處充滿了生命的驚奇及大自然奧妙的構思。藉著細膩的觀察及創意的實證,科學家逐漸將混淆的生命化為邏輯及科學的規章。中研院的生命科學家們在這場人類解析生命奧祕的競賽中也不缺席,就讓他們娓娓道來,加以精彩的插圖,帶領你探索21則生命燦爛的新世界吧!What a treat!——賴明詔(中央研究院院士)

怪奇事物所所長
阿任叔叔(科普圖文作家)
阿簡老師(阿簡生物筆記站長)
寒波(盲眼的尼安德塔石器匠板主)
焦傳金(國立自然科學博物館館長)
黃俊儒(國立中正大學通識教育中心特聘教授、科學傳播教育研究室主持人)
黃貞祥(國立清華大學生命科學系助理教授)
新夭Brainholesky(圖文創作者)
趙軒翎(《科學月刊》執行總監)
潘彥宏(北一女中生物科教師)
鄭國威(泛科知識公司知識長)
賴明詔(中央研究院院士)
——專業推薦(依姓名筆畫排序)

★目錄:

推薦序 走進研究最前線╱廖俊智(中央研究院院長)

Part 1 生物實驗室
Lesson 1真菌如何獵殺線蟲?——寄生蟲治療藥物的新曙光!
Lesson 2人類的斷肢有可能再生嗎?——探索斑馬魚的超強再生力
Lesson 3海洋生物的保命機制——代謝能力的演化研究
Lesson 4人蟻大戰出奇招——破解紅火蟻超級基因,研發更有效的防治餌藥
Lesson 5藏在構樹DNA裡的族群遷徙史——從生物地理學佐證南島語族「出台灣說」
Lesson 6破解遠古以來的植物謎團——發現葉綠體蛋白質橋梁的李秀敏
Lesson 7植物吸收養分的關鍵閘道——蔡宜芳的植物硝酸鹽轉運蛋白研究
Lesson 8調控減數分裂遺傳重組的新契機——破解玉米「基因洗牌」的關鍵角色

Part 2 未來醫療站
Lesson 9草藥怎麼吃才有效?——草藥科學的重大突破
Lesson 10藥物如何在體內發生反應?——運用電腦模擬,降低藥害風險
Lesson 11飲食如何讓人生病?——在「乾」的實驗室裡找答案
Lesson 12大腦神經退化的原因是什麼?——神經科學的研究與突破
Lesson 13當體內的油電混和車「電池壞了」!——從運動神經元退化機制,尋找治療漸凍症的契機
Lesson 14另闢一條對抗病毒的蹊徑——讓免疫力發揮正常效益的創新研究
Lesson 15新冠肺炎疫苗研發的創新觀點——以奈米粒子模仿冠狀病毒,製作更具保護力與安全性的肺炎疫苗
Lesson 16台灣如何面對全球大流行的COVID-19?——陳建仁談台灣的防疫經驗

Part 3 生科設計家
Lesson 17真菌也會玩樂高?——「天然物」合成的關鍵發現
Lesson 18改造細菌,把二氧化碳變燃料!——廖俊智與合成生物學
Lesson 19破解遺傳疾病、評估大眾用藥風險——全基因組分析的應用
Lesson 20尋訪住在我們身體裡的剪接師——鄭淑珍的RNA剪接研究
Lesson 21人體基因編輯是什麼?——認識基因神剪CRISPR

<作者簡介>

中央研究院|研之有物編輯群

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。」盼以具體的研究案例、真實的研究員生活,揭開中央研究院神祕的面紗,讓人們了解研究成果如何應用到生活中,繼而體會研究的價值與重要性。

中央研究院以理論結合實作、專業結合想像力,探索生活中各種問題的答案。每個研究成果,都不只是一篇論文,而是推進生活邁向永續的動力。惟鑑於論文的專業嚴肅性,難以令社會大眾親近、了解研究的意義與樂趣,進而運用各種理論與發現,因此中央研究院於2017年推出「研之有物」科普網站,期待成為中央研究院與社會大眾的橋梁,將論文轉化為親民易懂的報導,邀請大家一起永保好奇心,探索這世界!

曾出版《研之有物:穿越古今!中研院的25堂人文公開課》。

Facebook、Instagram|研之有物
網站:research.sinica.edu.tw/

★內文試閱:

‧推薦序

走進研究最前線╱廖俊智(中央研究院院長)(節錄)

2017年,中央研究院創立「研之有物」科普網站,4年多來橫跨數理科學、生命科學與人文社會科學三大領域,累積快300篇的科普文章,帶領讀者深入各個研究現場,揭開學術研究的神祕面紗,了解成果如何應用在生活之中,也縮短了專業嚴肅的學問與讀者間的距離。近年來陸續有同仁、朋友跟我分享,「研之有物」文章真的讓更多人知道中研院在做什麼!

中研院生命科學的研究在許多領域都有突破性的進展,例如在轉譯醫學領域,在病人用藥前進行基因篩檢,可降低藥害風險、找出疾病致病基因,亦是未來發展精準醫學之關鍵;此外,為維繫糧食安全與生物多樣性,我們深入研究植物與農作物如何因應氣候變遷,並進行跨領域的南島研究,提出對生態保育的政策建言。

本書收錄的21篇文章,涵蓋生物、醫療藥物及生物工程三大面向,帶領讀者從認識生物體開始,逐漸拓展至藥物治療應用面,甚至了解如何進一步利用生物工程預測未來、幫助人類避開危機,由小至大,見微知著。從破解動、植物基因密碼,可發現細胞遺傳關鍵機制、尋找斷肢再生的醫學潛力,亦能證實南島語族遷徙歷史;藉由科學研究及分析,人們更加了解吃進身體裡的食物、藥物,如何在體內發生反應、對人體有何影響;利用電腦運算,可模擬藥物作用,降低藥害風險;藉由重新設計細胞的功能,設法解決淨零碳排的難題;甚至探索與利用基因編輯技術,設法預防疾病。每項研究的起源都萌生於探索未知,每篇文章都能感受到科學家日以繼夜追尋真理的熱情,值得用心體會。

‧摘文

Lesson 2 人類的斷肢有可能再生嗎?——探索斑馬魚的超強再生力

為什麼研究「再生」?
自然界中,許多生物受傷後具有再生能力,但這些組織與器官是如何啟動再生機制,至今人們仍然不
了解。例如,切斷蠑螈的手臂和手指後,不同部位再生所費時間竟然相同。在中央研究院細胞與個體生物學研究所,陳振輝助研究員與其團隊以基因突變篩檢出失去再生能力的斑馬魚,進行深入研究,了解再生過程的分子機制,期待有助於再生醫學的發展。

奇蹟般的再生現象
在古代,希臘神話中的怪物九頭蛇與海格力斯大戰時,九頭蛇被砍斷頭顱後,依然可以不斷再生。在現代,X戰警系列電影中的金鋼狼,也具有驚人的再生能力,傷口可以在短短幾秒內恢復。從這兩個故事看來,人類從古至今對於再生能力既恐懼又羨慕。
再生並非只存在傳說中,自然界也有奇蹟存在。例如,蠑螈雖然是低等的脊椎動物,但被截斷的手臂切面,可以再長出神經、骨頭、血管與肌肉,再生出完好的手臂。斑馬魚和渦蟲,也都具有很強的再生能力。
蠑螈需花費30至60天才能再生一隻完好的手臂,不像金鋼狼那麼誇張,可以瞬間再生。若我們能了解哪些關鍵會觸發再生機制,也許有一天人類也可以斷肢再生。
「所有人都對再生充滿好奇,並不是科學界才對再生研究感興趣!」在陳振輝的實驗室,研究團隊正透過科學化的方法,以斑馬魚為研究對象,探索傷口修復和複雜組織再生過程中,細胞們如何運作。

透過斑馬魚畫出「再生藍圖」
人類的肢幹一旦受傷斷裂,傷口癒合後就形成斷肢,無法再生。但若是截斷斑馬魚尾鰭、用強光破壞視網膜、用細針攪爛一側的大腦,甚至剪斷脊椎這種極端方式,斑馬魚都可以完整再生這些複雜組織。
以脊椎再生的模式為例,斑馬魚一開始會因缺乏神經連結而無法游動,躺在水缸底兩個禮拜。但待神經重新連結、表皮癒合後,斑馬魚又能再次成為一尾活龍、游來游去。
透過這段觀察,陳振輝團隊想回答兩個問題:再生如何發生?再生機制為何會發生?
再生機制,涵蓋「表皮細胞、骨頭細胞、神經細胞、血管細胞」等運作,就像蓋一棟房子,需要不同材料、不同步驟進行。例如,殘肢上的細胞要移動、增生、分化產生新組織,同時也要跟舊組織溝通整合,來讓新生的手臂或尾鰭具有正確的大小、形狀和功能。
陳振輝透過Skinbow 多顏色細胞標誌技術,以不同顏色標記斑馬魚體內不同的細胞,觀察再生過程中細胞如何移動、如何分工合作,藉以建立一個工程藍圖。同時,他也運用這個藍圖,展示三維空間裡各式細胞如何互動、建構複雜組織,並觀察能否移轉到其他生物上,也蓋出名叫「再生」的房子。

Skinbow:研究再生的繽紛驚喜
環顧陳振輝實驗室中色彩繽紛的照片,彷彿藝廊展覽。照片中所採用的Skinbow多顏色細胞標誌技術,點子來自於陳振輝在美國杜克大學醫學院的細胞生物學實驗室中,看到同事維卡斯‧古普塔(Vikas Gupta)成功運用Brainbow 多顏色細胞標誌技術,觀察斑馬魚心臟的發育與再生過程。
Brainbow 由吉恩‧李維特(Jean Livet)於2007年時建立,當初是為了觀察老鼠的大腦神經,其基本原理是利用基因重組的方式,隨機將紅綠藍三原色的螢光蛋白,在個別細胞表現不同的數量。如此一來便能產生上百種顏色,標誌每一顆細胞,並且觀察每顆細胞的運作狀態。
結合「大腦」的實驗及「彩虹」般的色彩表現,這個以多種顏色標誌細胞的技術,便稱為Brainbow。
陳振輝團隊轉化這項技術,運用在觀察斑馬魚的「表皮細胞」再生運作情況,並另名為Skinbow。經過多次嘗試,Skinbow能用來標誌斑馬魚成魚的尾鰭、鱗片、眼球,甚至整隻仔魚的表皮細胞。
透過Skinbow多顏色細胞標誌,便可以觀察斑馬魚的表皮細胞,在面對不同的傷害情況下,如何集體反應、合作、再生以恢復原來的組織構造。例如,截斷斑馬魚的尾鰭後,細胞的移動方式是「沿著截斷面長出新細胞」,或是「舊組織的細胞往截斷面移動」?透過Skinbow可以清楚看見,舊組織的表皮細胞會先移動到截斷面要增生的部分,然後才在原本的舊組織長出新的表皮細胞。

以斑馬魚作為模式生物
為何團隊會以斑馬魚來研究?而不選擇蠑螈?
陳振輝表示,斑馬魚作為模式生物已經有20多年的歷史,過去科學家利用斑馬魚胚胎來研究脊椎動物的發育過程,累積了足夠的遺傳學基礎和研究方法。
另一個主因是斑馬魚在高倍顯微鏡下較易觀察。光是在顯微鏡下觀察尾鰭再生的研究過程就要持續20天,但蠑螈太大隻,要持續進行觀察較為困難,因此容易麻醉、方便長時間觀察是考量因素之一。生長週期也是另一關鍵,蠑螈的成長過程需要數年,而斑馬魚只要3個月。

我們將斑馬魚泡在誘發基因突變的藥水中,觀察哪隻斑馬魚在截斷尾鰭後變得「不會再生」,由此找出是哪個基因出問題,這可能就是觸發再生的關鍵。

「目前實驗室已經在突變魚身上,找到一些影響再生反應的基因,這樣尋找的過程平均要花上一年半到兩年的時間。」陳振輝說,神情充滿著耐心。

斑馬魚的再生機制,可能應用到人類身上嗎?
陳振輝認為,再生機制的研究植基於這些「再生能力突出」的「模式生物」,如果沒有利用這些生物,將很難建立複雜組織再生的模型。而基礎研究的結果,可以進一步在老鼠模式驗證,例如利用斑馬魚的再生機制去調控實驗老鼠的再生能力。
但為什麼人類具有跟斑馬魚一樣的再生基因,卻無法再生?這關乎基因調控的狀況。
再生機制牽涉到兩個層面,第一是人類缺乏斑馬魚具有的特定再生基因;第二則是基因調控的狀況。例如,斑馬魚的基因A在受傷後會被活化,但人的基因A卻不會被活化,因此人類無法再生,這可能牽涉到基因的上游DNA序列的調控,影響負責再生的基因表現。
至於其他魚類是否也具有再生能力?陳振輝表示,許多硬骨魚類都有。生物的再生能力,對繁衍優勢沒有直接的影響,因此生物可以在漫長的演化過程中獲得或失去再生能力。例如並非所有的渦蟲及蠑螈都會再生,部分譜系的渦蟲及蠑螈在演化過程中,也失去了再生複雜組織的能力。
人類敬畏又渴望再生的能力,但在演化過程中,大自然選擇性地讓部分物種保留再生的特權。陳振輝播放著已看過無數次的蠑螈再生斷肢的影片,驚嘆地說:「再看幾次還是會覺得這些動物怎麼這麼神奇,讓人不斷地想了解為什麼牠們有這樣的能力?」

【科學會客室】從動物身上問對問題,就可以找到答案!——陳振輝專訪

渦蟲最多可以切幾段?
陳振輝曾在中研院的院區開放日,進行一場題為「如何跟金鋼狼一樣再生複雜組織?」的科普演講,有個國小小朋友問:「渦蟲最多可以切成幾段?」從回答這個問題開始,距離了解再生的機制就已更近一步。而若能掌握越多,便可望更理解如何增強人類組織與器官的再生能力。

擁有再生能力,就能長生不老嗎?
長生不老確實有可能,渦蟲在實驗室生存條件充足的情況下,會將自己的身體拉成兩段,各自再生成完整的個體。這種可以極端再生的生物,存活的時間似乎沒有限制。
一百年前, 美國諾貝爾獎科學家摩根(Thomas Hunt Morgan)曾經將渦蟲切成279塊,發現這279塊的渦蟲組織仍然可以再生成個別完整的渦蟲。
但若以最小的單位,也就是「一顆細胞」能不能再生為「一隻渦蟲」呢?答案是也有機會。將渦蟲分解成單細胞(幹細胞),只憑這個幹細胞無法再生成一隻渦蟲。但若將這個幹細胞移植到被放射線照過的渦蟲身上,原本被放射線照過的渦蟲會在兩週左右死亡,但植入幹細胞的渦蟲卻可以重新恢復再生能力,宛如殭屍復活!
再生的最小單位似乎是幹細胞,但這是在有限制的條件下,且環境也相當重要。

為什麼會想研究「再生」?分享一下你的研究進程。
十多年前當我在陽明大學生化所讀碩班時,研究的是中草藥抗氧化物的純化,當時對免疫學很感興趣,在中研院擔任助理、剛到美國時,也待在免疫學研究的實驗室。一直到就讀達特茅斯學院遺傳所博士班二年級時,我才轉換到「生理時鐘」的研究。
當時我以「麵包黴菌」來觀察光反應對生理時鐘的影響,黴菌為了適應光線會產生「胡蘿蔔素」,但產生到一定的量便會停止。
研究黴菌感受光的調控機制,竟可以在分子層面上解釋其他生物對光的適應性,這系列的實驗非常有意思。因為黴菌跟老鼠、人類一樣擁有生理時鐘,也會受到光反應調控,然而,在老鼠與人類身上解釋基礎光反應對生理時鐘的影響十分複雜,用黴菌來研究較為容易。
在博士班畢業的前一年,大部分的博士生會轉換題目來增強學術能力,那時我反覆問自己:「什麼是用一輩子來研究都會覺得有趣的主題?」
偶然間,我看到幾篇「渦蟲再生」的研究論文,覺得主題很酷,便申請了幾個研究再生機制的實驗室,後來到了美國杜克大學醫學院的細胞生物學實驗室,與教授肯尼斯‧波斯(Kenneth D. Poss)相談甚歡,加入了這個以斑馬魚模式研究再生的團隊。這個實驗室從我剛加入時大概7、8個人,現在已經是20個人的規模,顯示學界對於再生研究有濃厚興趣。

從斑馬魚可以得知哪些「再生」訊息?
在肯尼斯‧波斯教授的實驗室中,目前三分之二的人都以斑馬魚研究「心臟再生」。根據衛福部的統計,台灣的第二大死因是心臟病,而美國則位居第一名,因此美國非常重視心臟的再生研究,也投入大量的資源支持。另外,用斑馬魚研究「脊椎再生」也是熱門的項目。
我自己是研究斑馬魚的「尾鰭再生」,有些人會覺得尾鰭是魚類特有的器官,但尾鰭再生的研究,也許有機會應用於生物的斷肢再生。
目前我們的實驗室,主要探索斑馬魚的「表皮細胞」如何分工合作進行再生,下一步也想觀察斑馬魚尾鰭中其他細胞的運作,比如若把尾鰭「神經細胞」的連結截斷,再生將無法進行。也就是說,了解各種細胞扮演的角色,是了解再生反應重要的方向。
從斑馬魚這種「模式動物」去提出問題,需植基於許多理論基礎,要建立模型、問對問題,這個過程的確很難。
當時實驗室老闆肯尼斯是建立斑馬魚心臟再生模型的初始者,他曾說過一開始要說服人們,以斑馬魚來做心臟再生的研究,大家都很難理解。很幸運的是,現在我們已經可以站在這些巨人的肩膀上進行研究。

研究「再生」的過程,遇到哪些困難?
建立「研究工具」最花時間。
研究老鼠與果蠅的科學家非常多,可以共享某些研究工具。然而,利用斑馬魚成魚做研究,大部分的研究工具需要自己建立(例如斑馬魚表皮細胞的多顏色標誌工具Skinbow),因此實驗時間拉得很長。
斑馬魚的生長週期是3個月,但建立新的基因轉殖魚作為研究工具,一般就要花上6個月到9個月的時間。

研究過程,曾有想放棄的時候嗎?
在我讀書的年代,生命科學是明日產業,生命科學系是非常熱門的明星科系,但現在大環境的就業情況並不理想,學生也紛紛退卻。我的想法是,要預測明日產業是困難的,你只能問自己的興趣在哪裡,只要真的有熱情,就有理由和動力堅持下去。
無論是我在博士班的黴菌生理時鐘研究,或現在進行的斑馬魚再生研究,都是從黴菌和斑馬魚這種模式生物來回答問題。利用各種模式生物的強項,問適合的問題,就可以找到答案。再生能力的研究是個新領域,就像一座待探索的西部大荒野,還有好多問題可以問。
這些發現除了以研究論文呈現,我也希望能與小朋友分享。因為小朋友非常有創造力,也許能問出我們想不到的問題。如果學校有興趣,實驗室可以提供斑馬魚與如何觀察尾鰭再生的方法,讓小朋友一起動手體驗再生的科學奧妙。
每天一早,我都很期待到實驗室,看看研究有什麼進展,想知道自己設計的實驗有什麼發現,很像「我一直在做自己喜歡做的事,還剛好有人給我薪水」。雖然研究工作並非一帆風順,實驗結果不如預期是科學常態,永遠都有不同的挑戰需要克服。但若是能重新選擇,我還是希望自己可以走上學術研究這條路。

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