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Take Home Message
• 結構生物學是解析生物分子三維結構（如蛋白質）的科學，研究蛋白質結構有助於深入理解細胞和生物體的運作。
• 隨著技術發展與突破，學界已進展到能以冷凍電子顯微鏡至近原子尺度描繪單個蛋白質和分子複合物的三維結構。
• 分子生物學家諾加利斯和克拉瑪以精確的結構揭示基因轉錄步驟，榮獲去（2023）年邵逸夫生命科學與醫學獎。

 
從微小的細菌到複雜的人類，所有生物體都由四種主要的生物分子構成，包括蛋白質、脂質、核酸（DNA和RNA），以及碳水化合物。這些生物分子在生命的各層面扮演著關鍵角色，從微觀到宏觀都具有重要功能。然而，這些構成生命關鍵部分的微小結構，就算使用光學顯微鏡也難以直接觀察。19世紀的科學家已經理解到這些關鍵但無形的分子確實存在，並透過實驗確定了它們的化學成分。儘管如此，科學家仍無法用肉眼或常規光學工具直接看到這些微小分子。這個難題引發了科學家的好奇心，試圖透過更深入的研究和創新的技術，揭示這些「隱形」分子的真實樣貌。
 

生物分子的重要性和挑戰

1965年諾貝爾物理學獎獲獎者、美國理論物理學家費曼（Richard Feynman）曾半開玩笑地說：
 
「許多基礎的生物問題是非常容易解決的——只要能看到它們就行！」
（It is very easy to answer many of these fundamental biological questions——you just look at the thing ！）
 
事實上，在生命世界中扮演關鍵角色的分子結構微乎其微，遠遠超出人類肉眼、甚至一般光學儀器的觀察範圍與解析尺度。
 
蛋白質、脂質、核酸、碳水化合物等生物分子的微觀結構對於我們理解生命的運作至關重要。其中，蛋白質作為在細胞中扮演多樣性的關鍵角色之一，從構成細胞結構到促進生化反應，再到信息傳遞和訊號調控，都離不開蛋白質的參與。
 
科學家發現，解析蛋白質的微細結構有助於理解它的功能。蛋白質主要由20種胺基酸（amino acid）構成，這些胺基酸透過肽鍵連接形成肽鏈，而肽鏈結構幾乎是所有蛋白質的基本組成形式。這些肽鏈必須形成特定的三維結構，蛋白質才具有活性，此物理過程也被稱為蛋白質摺疊（protein folding），並且影響著蛋白質的功能性（圖一）。
 
若蛋白質發生肽鏈未摺疊或摺疊錯誤，就無法正常發揮它的生理功能，可能會導致嚴重的疾病，甚至死亡。因此，若要深入了解基因運作、肌肉收縮、神經傳導、胎兒發育和身體各種功能，我們需要更詳細地理解蛋白質的結構和功能而研究蛋白質結構將有助於我們更深入了解細胞和生物體系的運作原理。

結構生物學的發展和突破

結構生物學正是解析生物分子三維結構的科學，分子的結構訊息為生物學帶來了巨大的變革，使得研究者能夠從原子層級深入探索分子機理，同時使人們對生物分子有了更深入、可靠且詳盡的直觀認識，此領域的發展過程中也出現了一系列關鍵突破。……【更多內容請閱讀科學月刊第649期】