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事實與邏輯

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  • 2015-08-28 11:47

【基礎科研】基因工程與分子生物學的新發展(三)

在對蛋白質的研究上,最近幾年學術界建立了龐大的資料庫,對基礎科研和醫療應用都有很大的助力。說到大資料(Big Data),在此先簡單評論兩句:像是分子這種遵循基本物理規律的對象,大資料是極佳的研究手段,但是像是人文、社會、金融、經濟、細胞或整個人體這些本身已經是高度複雜的系統,大資料的分析就必須考慮到很多隱性的因素,否則結果必然似是而非。很不幸的,一般的博士班學生和政府官員欠缺常識與經驗,拿了大資料來做了天真幼稚的分析,以為論文能發表,內容就是對的。去年我和John Hopkins大學生物系的一位老教授聊起這個問題,兩人有志一同,不勝唏噓。

好了,言歸正傳。人體內有2萬多個為蛋白質編碼的基因,但是實際能產生出來的各型蛋白質至少有20多萬種。再加上細菌和病毒的蛋白質,學術界必須研究的對象數目極高。以往要決定蛋白質分子自我折疊後的形狀,基本上必須先大量複製,然後讓它形成晶體,然後再以例如X-光散射(另一個辦法是核磁共振,NMR,也是從物理借來的工具)來決定晶體的結構。這也就是為什麼近年來,原本為高能物理發展的加速器被改用為同步輻射X光源。台灣剛剛在2015年完成最新一代的“台灣光子源”,從紙面上的性能指標來看,其同步輻射的強度、密集度和穩定性都與最先進的美國系統很接近,勝過大陸已有的同步輻射光源。至於大陸是否有更新更強的系統在建造中,我就不知道了。

不過為蛋白質長晶的過程極為困難,有時是根本就做不到的;就算能做得到,也費時費力;而且蛋白質分子形成固態晶體後的形狀並不一定和在活體環境下相同,所以研究蛋白質的聖杯(Holy Grail)就是要發展出能對單個在活體環境下的蛋白質做形狀分析的手段。所有研究工具中,原本看來最合適的就是穿透式電子顯微鏡(Transmission Electron Microscope);它利用量子力學裡物質的波粒雙重性,以電子波來代替光波。在使用典型的30萬伏特系統下,電子的波長是0.02 Å(1 Å=0.1nm,一般有機分子裡的原子直徑大約是1-4 Å),理論上可以輕易地解析出個別原子;而可見光的波長在4000 Å以上,所以傳統的顯微鏡當然沒有看清分子結構的可能(根據光學的基本定理,亦即Rayleigh Criterion,解析的極限是波長的一半)。

但是用電子顯微鏡來研究單個有機分子,有兩個很大的困難:首先,有機分子裡的原子如碳、氫、氧等等都是很輕的元素,對電子的散射很弱,在只有單個分子的時候很難形成清晰的影像(而且是分子越小就越困難)。其次,有機分子裡的原子鍵往往經不起高強度的電子束轟擊,為了保護分子不被馬上打成碎片,電子顯微鏡必須被限制到很低的功率,這更進一步地減弱了成像的能力。解决方案的第一步是先把有機分子和它的周遭環境急速冷凍到液氮或液氦溫度,如此一來那個分子仍然保持著原本的形狀,但卻已是固態,可以承受較高劑量的電子輻射。這個技術叫做Cryo-Electron Microscopy(冷凍電鏡,簡稱Cryo-EM),而Cryo-EM最大的用途就是如上所說的用來研究單個有機分子的形狀,這時就叫做Single-Particle Cryo-Electron Microscopy(單粒子冷凍電鏡)。

不過冷凍電鏡一開始的解析度仍然在兩位數的Å(2008年時是12Å),距離能真正為蛋白質分子定形還差得很遠。2008年北京清華大學的施一公教授決定全力投入冷凍電鏡的發展,很快地帶動了整個中國學術界對冷凍電鏡的熱情。經由與英國的軟體研究室的合作,施一公的團隊在去年把解析度提升到4 Å,然後在2015年八月終於發表了解析度達到3.4Å的研究結果,其重要性就在於3.4Å恰恰足以辨認有機分子裡所有的主要結構細節。施一公這篇突破性論文的研究對象是已知是Alzheimer's關鍵的蛋白質,叫做γ-Secretase。這個蛋白質有幾十種突變的變種,有些容易引起Alzheimer's,有些則相反;所以把它們的形狀確定了,對了解Alzheimer's的發生機制和治療方法將有極大的助益。因為這個突破不但有極重要的實際應用,而且也為學術界開啟了一個新的研究紀元,施一公應該可以得到諾貝爾獎;不過目前還有很多工作要做,例如這一篇論文只研究了十個比較次要的γ-Secretase變種,施一公已經宣布關於其他變種的後續論文將會很快發布,我們拭目以待。

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  • 作者:王孟源

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迴響(12)

# re: 【基礎科研】基因工程與分子生物學的新發展(三)
As I have discussed in my response to your earlier post, an important issue remains as to how critical aberrant gamma-secretase really is in contributing to Alzheimer development in human, given that most of the causality tests were performed in rodents. There are many cases of drugs developed based on rodent models that failed to treat human diseases that are seemingly caused by the same faulty genes. There is no doubt in my mind that Yi-Gong Shi’s work is Nobel-prize worthy (especially the ones on RNA splicing that were just published) and will shed light on the normal biological function of gamma-secretase in neurons – an important problem in its own right, however, I am somewhat doubtful that solving the structure of gamma-secretase or having the ability to “Cripser” it will have significant impact on disease treatment. But again, this is just my view.
I don't think the treatment to Alzheimer's will come in the form of gene therapy, either. If you read my previous article carefully, you should notice that I expect it to come as new drugs that interrupt the chain leading to full-blown Alzheimer's. Hope you agree.
# re: 【基礎科研】基因工程與分子生物學的新發展(三)
I correct my previous comment...Experts should feel free to discuss whatever here with Mr wang,,,Ignorent reader like myelf should just choose to read easier to understand articles in other areas...
Don't worry. Writing articles like these is quite exhausting for me too. I don't think I will be doing it again anytime soon.
# re: 【基礎科研】基因工程與分子生物學的新發展(三)
由新聞照片看來施一公的設備是FEI Titan Krios cryo-electron microscope,除非原廠能開放客戶修改內部檢測方式,其解析度應已確定,他與英國的軟體研究室的合作提昇解析度,有一種方式是由原設備的raw影像數據再經影像處理提高解析度。我曾自製過AFM(1990的博士論文),Z軸解析度可至6.7Å(由干涉訊號轉12-bit ADC換算),但XY軸解析度較差,論文中的原始影像數據經影像處理推論提高解析度(兩影像點中經interpolation加點),但實際上我認為是artifacts。
IBM的 Gerd Binnig and Heinrich Rohrer因STM獲得1986年諾貝爾物理學獎,主要以原理發明。
施一公的研究結果,其重要性在於辨認有機分子裡所有的主要結構細節,可能會有人question他3.4Å解析度。
www.ibtimes.co.uk
他在2008年買的第一台機器就是FEI的Titan Krios。公開的資訊都沒有提到他是如何大幅提升解析度(除了軟體的進步之外,不過軟體應該不夠獨力推進那麼大的改進),但是與廠商合作改進機器並非不可能,台積電這樣的Fab也是必須和設備供應商手牽手合作開發新製程的。

還有,Cryo-EM是Transmission Type,和AFM這種Scanning Type的運作細節有很大的不同。研究蛋白質結構必須有分子內部的資料,只看表面是不夠的。
  • 2015-08-28
  • AFM
# re: 【基礎科研】基因工程與分子生物學的新發展(三)
新加坡在搞生物制药,台湾按理更有条件搞,过去几十年的人才积累还是比新加坡好的。但是却没什么这方面的报道,难道台湾没有在这方面发力吗?
我對台灣的生化界不熟,只知道台灣光子源這個新消息。

住台灣的圈內人請幫忙回答。
# re: 【基礎科研】基因工程與分子生物學的新發展(三)
I wonder if you have any comment on the recent Taipei MRT card (yo-you card?) incident/scandal? ( used Japanese AV woman as The Face) In my view it shows how the city govt's imcompetence and negligence which has created such disgrace and caused such embarassment for all Taiwanese internationally...It's a shameless and arrogent decision to insult most people in /from Taipei...I am speechless...sorry i know this is not relevant to this article but I can't hlep it...
Maybe the article 《愚民主政下的指鹿為馬》 would be a better place? At least it was about Taiwan.

I don't really care much about this kind of idiocy since it has nothing to do with living standard. The priority list I recommended for the presidential candidate is also what I observe myself.
# re: 【基礎科研】基因工程與分子生物學的新發展(三)
似乎還有蛋白質螢光學這種手段,利用螢光分子與蛋白質某些功能基耦合,利用雷射激發螢光分子,分析得到的頻譜與散射圖型以"猜測"蛋白質的立體結構
我的印象是這個辦法的解析度遠遠不能和冷凍電鏡相比。
# re: 【基礎科研】基因工程與分子生物學的新發展(三)
施一公回国后的产出率远远超过他在美国的时候,光nature, science, cell就有将近20篇。这是先生早前的文章《科技发展与美式自由无关》最好的例子。
国内目前能做这种级别研究的单位还是凤毛麟角,仅仅集中在少数国家级实验室。不过我认为这只是开端,现在华人学者回国越来越多,政府资金支持非常大。设备完全不成问题,问题是要找到能够有效利用这些设备的人才,现在两样都有了,所以我认为未来10年中国的科技成果是指数上升的。
诺贝尔奖非常偏爱结构生物学,施一公很有机会。我认为王晓东也应该得一个。
蛋白荧光技术受光学的物理限制分辨率无法与电镜相比,经过大幅优化后的超分辨率显微镜能达到20nm左右的精度。但它对样品的要求较低,甚至可以用来观察活体细胞内的蛋白动态过程,因此跟电镜技术在应用上是不一样的。两者是互补而不是取代的关系。
我想像施一公一回國就一口氣買好幾台Titan Kryos,每台400萬美金,在美國學術界基本是不可能的。哪個大學能有一台就要大吹大擂了。

是的,我在John Hopkins看過他們示範熒光技術,用來觀察酵母菌轉化成孢子的過程,很有意思。
# re: 【基礎科研】基因工程與分子生物學的新發展(三)
王兄這三篇寫得極為精彩,對於分子生物學的進展有著清楚的介紹,令人受益不少.在此分享一些個人看法:

分子生物學以及相關領域近幾年進展快速,對於基礎科學的研究有極大幫助,尤其對於了解疾病的狀況以及診斷方面貢獻很大,我不懷疑有新的爆炸性數量的蛋白質3D結構夠在未來十年被解出來,或是更進一步知道全身每一個細胞的不同分子濃度及分布,但是擁有這些資訊和知道疾病產生的機制或原因是兩回事,之間當然有關聯性,但是這些資訊只讓你知道哪裡出問題,無法告訴你出問題的原因,若進一步談到治療,其限制性也就更大了.就好比你就算知道了過去人類歷史所發生的每一件事的所有細節,你也無法解決人類面臨的問題.

現在世上流行的主要疾病,只有很少一部份可以歸納成單純因素造成,比方說精神分裂症(Schizophrenia)和基因關係密切,但是一個精神分裂症患者他的同卵雙生兄妹只有50%機會有精神分裂症.這差異是由於環境造成的嗎?也不盡然,因為同卵雙胞胎的DNA序列並非完全一樣,同一種基因的copy數目並不一定相同(中文同卵雙胞胎比英文identical twins更能正確定義雙胞胎)也就是說你很難在分子層面知道你需要修復的到底是什麼
www.scientificamerican.com/...
另一個例子是癌症,癌細胞的DNA序列和原宿主差異很大,而且同一個惡性腫瘤的組織,幾公分的距離之遙的癌細胞DNA序列都不同,現在發現許多癌細胞共同常見的突變基因在正常組織中也常常出現,所以今天就算你有一種技術,可以100%改變妳想要改變的DNA序列,還是遠遠不夠的,因為妳不知道你要改變的是哪一段序列,可能是一段基因,也可能是一段基因調控序列,甚至可能是目前人類還找不出意義的序列.這還只是DNA階段而已,再加上其他包括RNA,蛋白質,醣類,脂肪分子,以及各種調控DNA的分子或甲基化等等,未來50年大概都很難完全弄清處.現在有人甚至懷疑Alzheimer's可能是以蛋白分子作為媒介的傳染病.
www.nature.com/...

事實上這也是為什麼基礎生物學研究如此精彩有趣,這是一種對未知世界的探索.但對與只擁有部份知識就要應用在治療疾病上,我認為是過度樂觀也很危險的.看看過去幾十年,所謂生物科技的發展,對於治療疾病的貢獻與投入和成果的不相稱,很重要原因之一就是對於生命的知識所知太少就拼命想產業化.

生物學大概是所有自然學科中實驗產生意外結果比例最高的學門,生命中的分子彼此如蜘蛛網般地互相作用,不管今天target是蛋白質或DNA,都只能假設他們並沒有補償機制,而這種假設恐怕在大部份情況下都是錯的.

之前有讀者提到“過去數十年來生命科學的進步吸引了無數學子投入這個領域, 但這些進步卻無法轉換成更多的工作機會…這個學科變成可怕的泥沼,爬不出來的,只能越陷越深.”我想對於希望功成名就的人來說,確實誤上賊船,但對於生命奧祕有著無窮盡好奇心的人來說,解開各式各樣的生物密碼是一種精神上而非物質上的滿足。如果愛因斯坦或華生是以賺錢或增加工作機會的心態做研究,相對論或雙股螺旋還會從他們腦中生出來嗎?
我不像你是這方面的專業,不過我完全同意美國的一些人員和機構功利心太重,基本機制還沒有搞清楚,就急著創業拿專利。這主要是美國專利制度被律師們扭曲來偏愛能僱用律師亂發申請的大公司的結果,中國必須對其有所改革,不能照抄。
  • 2015-09-12
  • Kun
# re: 【基礎科研】基因工程與分子生物學的新發展(三)
王先生您好,之前與您產生了一些價值衝突,很希望能夠在這方面與您討論,只是這兩個月比較忙就一直沒有來留言了
另一方面,因為您的部落格沒有專門的訪客留言區,所以我只能在這個議題比較接近的文章下留言,請您諒解

在討論我們之間的價值衝突以前,想跟您談一個非常基本乃至於老套的哲學問題
如果一個無罪的人和一百個罪犯的命只能二擇一,而且我們沒有時間選擇兩全其美的辦法,或者說兩全其美的辦法不存在,那應該如何抉擇?
如果我們把這個問題進一步擴大,是一個無辜者的命和全人類的命呢?

我敬佩人道主義者,不管是您或是陳真醫師我都很敬佩,但理性上同時告訴我,鬥爭是大自然必然存在的現象,這不管我們喜不喜歡,而是必須接受,因為這是自然定律
生物學的研究發現,當滿足一定條件時,動物也會有跟人類一樣的罪惡,會有自相殘殺,亂倫,行為異常
這不只是人類眷養的動物會發生這種情況,在大自然中也同樣有概率會發生,而且是越富裕,越文明,罪惡也同時的進化
罪惡與文明並非此消彼長,而是同時進步的,請注意這點

如果是絕對的理性主義者,最後的必然結論是虛無主義
當然理性得到虛無主義,並不代表在價值上和感性上就必須虛無主義,所以人類依然可以為自己的生命尋找意義
因此我也認同人道主義者,只要這個人道主義者是建立在客觀承認自然定律的前提條件上

只要是建立在絕對理性的前提條件上,任何人都可以選擇各種各樣的價值,只要那個人知道自己所選擇的道路會有怎樣的後果與罪惡,並且有背負這種罪惡的覺悟

我認為道德的本質,是在於追求人類整體的和諧與發展,所以在最前面的問題上,如果兩難問題涉及到人類的存續,這時候道德也是可以放棄的
畢竟要是人類滅亡了,堅守道德也毫無意義

對我來說,國家之間的鬥爭是一種生物本能,自古以來,不談游牧民族侵略中國,中國的聰明商人在面對憨厚的遊牧民族也沒少佔便宜過
有優勢不可能不利用自己的優勢,這是動物本能
面對人口比中國少,自然稟賦比中國劣勢的小國,不可能要求他們不使用些陰暗的手段
當然不只是對小國而言,即使是我相當不喜歡的美國,"理性上"我仍然承認他們發揮自己的優勢去掠奪全世界的利益是生物本能

那麼在國家認同,或者戰爭之類的問題上,基於理性,基於虛無主義,基於我理解到各種選擇的後果的前提上,我所能選擇的就是認同中國,認同統一,因為這是一個能夠在道德良心上,歷史和文化認同上,還有現實利益與未來趨勢等各種價值的總和評斷後所能得到的最好結論

而我也不反對戰爭,良心上和價值上我希望不要有戰爭,人與人之間不要互相傷害,但理性上我認為這是自然定律,如果生物的鬥爭不可避免,那我們只能夠選擇一個能夠得到總體最大利益的對象來作為鬥爭的對象,而且必要時不排除使用戰爭與殺人作為手段

我雖不認同絕對的人道主義者,但我尊重這些人,所以我也要求這些人必須尊重我的理性選擇
不知王先生對我的價值認同否?
我對你沒有惡意,也歡迎你繼續留言,只是請你盡量寫得簡潔一點。

我不是理想主義者。我或者可以算是個Humanist(一般譯為人道主義者,其實我認為人本主義者比較確切)吧,不過這個標籤在英文裡有很大的反宗教教條主義的意味,而我對宗教迷信一直是深惡痛絕的。

如果犧牲一條無辜的生命可以挽救更多的無辜生命,我當然是贊同的;只是這樣的交換必須是確認的,以免成為為惡的藉口。
  • 2015-09-18
  • RR5
# re: 【基礎科研】基因工程與分子生物學的新發展(三)
屠呦呦得了诺贝尔医学奖了。真是惊喜。有了这个先例,以后中国的诺奖得主必然越来越多。
其實治療瘧疾比蛔蟲重要多了,應該從研究青藁素的許多團隊中選三個人來得獎才對。Nobel Committee的種族歧視還是很嚴重的。
# re: 【基礎科研】基因工程與分子生物學的新發展(三)
颁布获奖名单时念的还是”呦呦屠“,记得当年李娜夺得法网冠军时也是被称为“娜李”,到澳网夺冠时五大公开赛英文解说都已称李娜了。她退役时俄罗斯的莎拉波娃寄语中提到“一直没搞明白你到底叫什么”。带句题外话,两岸三地应该先把译音统一了,94年在香港同当地同事聊世界杯巴西前锋贝贝托(白逼度)听的一头雾水
我在英美媒體看到“President Jinpin”不知多少次,早已見怪不怪。
# re: 【基礎科研】基因工程與分子生物學的新發展(三)
大陆正在建设上海同步辐射光源,是第三代同步辐射光源,纸面数据与台湾光源在同一水平。

另外大陆正在大力推动X射线自由电子激光的进展。

这几年来X射线自由电子激光对纳米蛋白质晶体衍射成像 (Serial Femtosecond Nanocrystallography)算是突破性的进展,我有幸参与在其中。不知王先生对这方面的进展和前景有没有什么看法?
不是我的專業,我衹是從新聞上關注。

這似乎是臺灣今年搞好的極少數建設之一,我對大陸在建類似的設備完全不感驚奇。

有了光源,還得要有工業環境,亦即用戶(和SuperComputer很像);這可能要再花幾年來培養,臺灣大概會在這方面失足。

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