【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。