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2018-12-012018諾貝爾化學獎—化學中的演化與革命 588 期

Author 作者 林翰佐/銘傳大學生物科技學系副教授,本刊總編輯。
今(2018)年的諾貝爾化學獎其實很「生物」。諾貝爾委員會(Nobel Committee)宣布將獎項中的1∕2授予美國加州理工學院的阿諾德(Frances H. Arnold)教授,另1∕2則由美國密蘇里大學的史密斯(George P. Smith) 教授與英國劍橋大學的溫特(Sir Gregory P. Winter)教授平分。以往獎金分配多半以均分處理,然而此次分配方式如此不尋常,筆者認為肇因於3位 得獎者的研究其實主要可區分為2條不同研究軸線,但這2條軸線均以跨時代的創見,革新了化學及藥物的發展。


A (r)evolution of Chemistry

 
在諾貝爾獎委員會針對化學獎項發布所提出的公開說明中,特別用「化學 領域中的演化與革命(A (r)evolution of Chemistry)」這樣的雙關語來表 彰得獎者對人類福祉的貢獻,意旨得獎者所楬櫫的定向化學演化概念造就化學界革命性的進展。不過說到這裡,各位讀者應該一頭霧水,在繼續說明得獎者的研究之前,筆者想先針對一個概念做一些解釋—— 演化 (revolution)是什麼呢?

對於達爾文(Charles Robert Darwin) 所倡議的演化論,相信大家都不陌生。演化論的核心論述是「適者生存」,能夠活於現世中多樣的地球物種,主要是因為適應地球環境所產生的成果;這樣的適應並不是勉強及格,而 是要做到最好。從生態位(ecological niche)的觀點來看,世界上現存的 所有物種都是不同生態位上的第一名,在競爭相類似生態位物種中趨於弱勢的物種,勢必在漫長的演化過程裡滅絕。

然而,演化論的觀點中並沒有提及「創造」的部份,自然界提供的僅是一 種篩選上的趨力(selection force), 使物種的演化有個大致的趨勢,透過物種族群變異,篩選生態位中最適合的物種。老子道德經中所述之「天地不仁,以萬物為芻狗」,大抵完善地詮釋此環境趨力的本質,而英國著 名的演化生物學家道金斯(Richard Dawkins)曾以「盲眼鐘錶匠(the blind watchmaker)」來說明這種演化 趨力造就複雜生命結構體的可能性。

人定勝天,還是順天而行?
以演化找尋蛋白質開發的方案

 

相信大多數的人都同意創造力是人類與地球上其他動物間最大的差異之一。創造力是什麼?它是一種抽象思考能力,使人可以在未有實際經驗的情況下,重新定義事物與事物間的關聯性。早在石器時代,人們便能運用聯想,以敲擊的方法打磨石頭的邊緣,並用其作為切割獸皮及肉品的工具,普遍也認同遠古人類的產出並不是因為看過刀子後以石頭仿製而得。人類透過無限的創造力造就相當多的奇蹟,如弓箭、蒸氣機或飛機等發明,甚至創造火箭把人類射向太空。但是,隨著待解決問題的難度逐漸增加,人類是否擁有足夠的能力再創奇蹟?這可衝擊著人們心中那「人定勝天」的自信。

 

蛋白質酵素的商機與難題
 

此次諾貝爾化學獎的「頭號人物」——蛋白質,是所有生物體運作的工具。生 命現象中的新陳代謝(metabolism), 即身體所有化學反應的總稱,這些細緻的化學活動幾乎全由蛋白質所構成 的酵素參與促成。從 1970 年代分子 生物學技術的進步開始,科學家們得 以任意地針對DNA 進行剪裁,並透 過基因轉殖技術(gene cloning), 在大腸桿菌等生物中進行表現 (expression),此後人們便得以用 微生物發酵的方式生產大量的人工重 組蛋白質(recombinant protein)作 為後續研究、產業應用及醫療臨床使用的基礎。

蛋白質是由胺基酸所構成的巨大化學分子,而地球生物中常見的胺基酸種類就高達20 種,所以整體蛋白質的分子結構是相當複雜的。蛋白質的立體結構與其生物化學活動息息相關,舉個例子來說,源自於水母基因 的綠色螢光蛋白(green fluorescent protein, GFP), 是生命科學研究當中常用的標示蛋白。......【更多內容請閱讀科學月刊第588期】