<![CDATA[科學，就是醬]]> Sun, 06 Jul 2008 15:29:29 CST zh-tw <![CDATA[常與香港腳混淆的足蹠蠹蝕症(Pitted keratolysis)]]>

常與香港腳混淆的足蹠蠹蝕症(Pitted keratolysis)



連日來的大雨，不管是路上行人，或是機車騎士、騎腳踏車的人，腳都不時會泡到水。回家後，常在趾縫間或是腳底，看到潮濕、糜爛或脫皮的現象。許多人常會誤以為是香港腳，自行到藥局買藥擦，結果愈擦愈糟。此時，要考慮是否得了「足蹠蠹蝕症（pitted keratolysis）」。（「蹠蠹」二字讀音同「直杜」）。



圖1. 足蹠蠹蝕症（pitted keratolysis）


這種皮膚病又稱為「點狀角質層分離症」，好發於容易有腳汗的患者，或是整天穿鞋流汗的運動員。然而，在大雨過後，泡濕的腳也常有此病的發生。病患的腳常會覺得黏黏的，有臭味。大多數人不覺得癢，僅少數有輕微的癢感。

此病的特色是，可以見到許許多多小小的，像火山口的凹洞分佈於腳底，而且常常彼此相連，形成一大片的糜爛，尤其是趾縫。也因此，很容易與足癬（俗稱香港腳）搞混。當民眾自行買藥局複方的香港腳藥膏來擦，或是泡醋「殺菌」，常常會讓症狀更嚴重。



圖2. 足蹠蠹蝕症（pitted keratolysis）



圖3. 足蹠蠹蝕症（pitted keratolysis）病理切片


此病大多是由棒狀桿菌屬（actinomyces 或 streptomyces）、Dermatophilus congolensis 或微小球菌（Micrococcus sedentarius）的細菌所引起，主要侵犯容易潮濕的足底及趾縫角質層。



圖4. 棒狀桿菌 Actinomyces israelii 電子顯微鏡圖，圖片來源：http://en.wikipedia.org/wiki/Actinomyces


治療上，主要是以殺菌的外用藥膏為主，極少的狀況下，才需要口服藥。同時，在游泳或下雨腳浸泡在水裡之後，要儘快將腳洗淨擦乾，保持足部的乾爽。平常穿鞋子建議選擇透氣性較佳的鞋子及棉襪。有腳汗的患者建議可噴止汗劑，以減少足蹠蠹蝕症的發生。


（作者林政賢醫師為高雄市林政賢皮膚科診所院長）


原始報導：
1. Yahoo 健康新聞：http://tw.news.yahoo.com/article/url/d/a/080706/78/12nt0.html


相關連結：
1. 我的腳也被吃了---談角質溶解症

2. 常見運動員皮膚感染問題


小補充：
pitted 是「凹痕」的意思。
keratolysis 則是 keratin 與 lysis 兩個字的結合，keratin 是「角蛋白」的意思，lysis 則是「分解」的意思。

]]> Sun, 06 Jul 2008 14:03:32 CST <![CDATA[泡泡風暴 － 肥皂膜上的大氣模型]]>

Soap bubbles recreate Jupiter's turbulent storms


Sciscape 科景編輯 C.Y.Chuang 報導


法國波爾多第一大學（Université Bordeaux 1）的物理學家在半球形的肥皂膜上製造出旋渦圖像，可用來模擬木星大紅斑及地球颶風等等的大氣現象。



圖1. 肥皂泡泡上面的漩渦



圖2. 木星大紅斑（Great Red Spot）



圖3. 肥皂泡泡上面的漩渦


相對於行星的直徑，環繞在行星外的大氣層顯得非常薄，可視為二維結構。同樣的，肥皂膜也有此特性，所以被拿來作為大氣對流的模型。過去已有人在肥皂膜上製造出紊流圖像，但出現的是一對旋轉方向相反的氣旋，並非大自然中出現的單一旋風，無法用來解釋自然現象。

在近期發表的 Physical Review Letters 中，法國 Kellay 帶領的研究小組成功地利用熱對流，在肥皂泡泡上發展出單一氣旋。他們用吸管吹出一個直徑約十公分的半球形肥皂泡泡，從底部加熱，藉由溫度梯度的差異，使得較溫暖的肥皂溶液往上跑，形成對流旋渦。過程中使用數位攝影機記錄肥皂膜上的流動速度，並且由膜的顏色分析出厚度變化，發現皆與前人的實驗相差無幾，但為何這次 Kellay 的研究小組可以看到如同自然界中的單一氣旋呢？原來差異處就是 Kellay 的實驗裝置沒有拘限肥皂液的側牆，因此 Kellay 認為是側牆的邊界效應使得前人的系統不同於自由流動的大氣，阻礙了紊流的形成。





接著，他們將肥皂膜上記錄到的統計數據與幾個颶風的行進路線相比。從位移來看，肥皂膜旋渦受到底部熱氣流的衝擊，呈現每秒位移一公分的隨機運動；相較之下，颶風的路線因科氏力（coriolis force）的影響，明確許多，兩者似乎沒什麼關係。然而，從平均平方位移來看，肥皂旋渦和颶風路徑竟擁有相同的指數形式，展現出極大的相似度。

這個結果表示，我們可以由如此的小實驗裝置研究大尺度的天氣現象，若能更進一步發展理論模型，可望促成大氣科學的重要進展。



原始報導：
科景 － 物理：泡泡風暴--肥皂膜上的大氣模型


原始論文：
F. Seychelles, Y. Amarouchene, M. Bessafi, and H. Kellay, Phys. Rev. Lett. 100, 144501 (2008)


參考來源：


本文版權聲明與轉載授權資訊：



相關連結：
Wikipedia：肥皂泡泡（Soap Bubble）


]]> Thu, 03 Jul 2008 20:04:40 CST <![CDATA[淺談藥物 5 － 發炎反應的概觀]]>

An Overview of Inflammation



我們常聽到發炎反應這四個字，究竟什麼是發炎呢？所謂的發炎是指我們的免疫系統對外來入侵者所產生的回應現象，這些不速之客有可能是某些物質、刺激物、組織、骨頭或神經損害，當然也包含了被微生物所侵害而引起的感染。通常局部發炎反應的症狀包含了紅、腫、痛、癢、發熱，甚至是受感染區域會失去行動力。而在廣泛一點的發炎現象則包含了發燒（fever）、畏寒（chills）、疲倦（fatigue）、頭痛（headache）或失去食慾（appetite）。當然，當免疫系統失效而產生抗體來攻擊自己時，在病理學上的結果也會以免疫反應為其表徵。(1)



圖1. 時代雜誌以 Inflammation 為封面


對於許多疾病來說，發炎反應是極為重要的因子（例如心血管疾病、呼吸道或退化）。其實，依照不同刺激物所產生的發炎反應在生化行為上所產生的現象是相當複雜的。比方說，假設有某一種致病細菌產生了某一種可以活化細胞表面受體的物質，這個物質便會使細胞啟動並製造出生化物質（比如說某一種分子訊號）進而產生一連串的反應，在細胞內這類的物質已被確認是稱為發炎前驅物細胞激素的蛋白質，例如腫瘤壞死因子 α（TNF-α，tumor necrosis factor-α）以及介白素-1（interleukin-1）便是這類的蛋白質。這些物質會觸發細胞合成並釋放出其他小分子的媒介物質，比如說前列腺素（prostaglandins，PGs），組織胺（histamine），bradykinin（一種由九個氨基酸所組成的蛋白質，結構為：Arg-Pro-Pro-Gly-Phe-Ser-Pro-Phe-Arg）以及白三烯素（leukotrienes）等等。最後甚至基因表現也會被影響。(2)

前列腺素，通常存在的濃度都非常的低，它的生命期也相當短暫，但它卻是一個相當強力的調控者，它是由花生四烯酸（arachidonic acid，簡稱 AA）在環氧化酶（cyclooxygenase）內經由環化內過氧化反應（cyclic endoperoxides）所生成。而生合成前列腺素是藉由酵素性的切除膜脂使其生成自由態的花生四烯酸並緊緊的被調控著。類固醇類抗發炎藥物中的 cortisol 便可以抑制掉花生四烯酸從細胞膜上被釋放出來。



圖2. 發炎物質的產生流程


組織胺的釋放會引起局部血管放鬆並且增加血管的通透性（permeability）。它同時也會刺激前列腺素以及 bradykinin 的生成，並且擴大其他的影響。最後的結果便是增加流到受傷組織的血液流量，並造成紅、腫、痛等發炎時的特徵。



圖3. 組織受傷到發炎反應之概圖


如果將前列腺素與 bradykinin 合併在一起時，則會產生疼痛的感覺。在神經末梢處，只要極少量的前列腺素便可發生影響，它的靈敏度比 bradykinin 還要來得高，因此放大了疼痛的訊號。這樣的訊號傳遞過程也包含在離子靈敏型神經細胞當中，初始離子濃度的改變，它會將這些資訊傳導到我們的大腦中。



圖4. 疼痛發生的一連串過程概圖


這些免疫物質會吸引白血球由血管往發炎的部位集中，然後在消滅致病原的同時也伴隨著破壞及更多的發炎現象。在健康的個體中，免疫與發炎反應會藉著分子序列的調控 ─ 有效率的減低促發炎反應（proinflammatory）過程的發生 ─ 來自我校正。不過在某些疾病中，比方說類風濕性關節炎（rheumatoid arthritis）及骨關節炎（osteoarthritis）或老化過程，這種降低的調節（downregulation）卻會造成功能喪失（dysfunctional）的狀況出現。目前用來治療類風濕性關節炎的一種重要方法就是利用單株抗體（monoclonal antibody）藥物來處理，比如說 EnbrelTM（Amgen and Wyeth）。它可以抵抗 TNF-α 受體蛋白，它阻止了 TNF-α 的結合，如此便能將後續所會發生的發炎連鎖反應通通被阻止掉。



圖5. Enbrel 與 TNF 的結合（圖片來源：http://www.medscape.com/content/2003/00/45/36/453677/art-dn453677.fig1.gif）


另外一種巨分子在發炎過程當中也扮演著重要的角色，比如說 NF-κB（Nuclear factor-kappa B）便是其一，當它在在細胞內被製造與釋放出來之後，它變會轉移進入到細胞核當中，接著在細胞核裡面活化各種促發炎基因，包含 COX 在內。會造成 NF-κB 在細胞內被釋放出來的訊息傳導路徑是相當複雜的，它可藉由合成的分子來加以抑制，不過目前尚未能達到，這對健康來說也許是有害的，因為伴隨而來的免疫抑制（immunosuppressant）效果也許會導致其他的感染症狀發生。通常在發炎反應中的免疫回應也與 NF-κB 有關。



參考文獻：
1. Inflammation: Basic Principles and Clinical Correlates (Lippincott Williams & Wilkins, 1992);
2. Cytokines and Joint Injury (Birkhauser Basel, 2004)


站內連結：
1. 科學，就是醬：淺談藥物 1 － Acetylsalicylic acid (ASPIRINTM，阿斯匹靈)

2. 科學，就是醬：淺談藥物 2 － Naproxen (ALEVETM，拿百疼)

3. 科學，就是醬：淺談藥物 3 － 抗發炎藥物是如何作用呢？

4. 科學，就是醬：淺談藥物 4 － 發炎反應中的其他不飽和脂肪酸


]]> Sun, 29 Jun 2008 00:13:47 CST <![CDATA[抗生素的介紹 Part III 之三：Moenomycin 與 GT 酵素之蛋白結晶關係]]>

Structural Insight into the Transglycosylation Step of Bacterial Cell-Wall Biosynthesis



在先前《抗生素的介紹 Part III：Moenomycin A》之一與之二的單元裡，我們從細菌細胞壁的組成、細胞壁的生合成路徑開始，一路介紹到了 moenomycin 這一個抗生素的家族、特性以及 moenomycin 結構中有關尾端那段特殊的不飽和脂類結構（稱為 moenocinol）的合成。在相關的回應當中有朋友提到了何不將 2007 年發表在 Science 期刊上面有關 moenomycin 與其對應的酵素之結晶結果也簡單的說明一下呢。因此在這一回的單元中，我們就為大家介紹一下這篇相當優越的論文結果究竟是什麼。不過以下即將開始的這篇文章內容較為艱澀難懂些唷！


先前我們曾介紹過細菌可因其細胞壁在染色上的不同分成革蘭氏陽性菌（Gram Positive）與革蘭氏陰性菌（Gram Negative）兩種。無論是哪一種，它們的外表都有一層胜肽聚醣（peptidoglycan）的結構，差別僅在於革蘭氏陽性菌的胜肽聚醣較厚，革蘭氏陰性菌比較薄。而這一層細胞壁則是由 glycosyltransferase（簡稱 GT）與 transpeptidase（簡稱 TP）這兩種酵素所共同建造起來的，當它們攜手合作時便能製造出一張立體的胜肽聚醣網（peptidoglycan mesh），這層堅硬的結構便提供了細菌的保護以及細菌在顯微鏡下的外觀與形狀。



圖1. 細菌的胞壁提供了細菌多樣的外貌，並賦予細菌生存在自然界中的能力



圖2. 細菌在合成胞壁時的生合成路徑卡通圖。glycosyltransferase（簡稱 GT）與 transpeptidase（簡稱 TP）在圖形的左下方處。


由於這些酵素對細菌而言是不可或缺的，而且它們只存在於細菌身上，在哺乳動物的細胞裡面並不存在，因此這兩種酵素便成為發展抗生素時的重要目標。TP 酵素有時候也被稱為「盤尼西林鍵結蛋白（penicillin-binding proteins，簡稱 PBPs）」，以它為攻擊對象所設計出來最有名的抗生素便是 β-內醯胺（β-lactam）類抗生素，比方說盤尼西林、methicillin （甲氧苯青黴素）以及頭胞菌素（cephalosporin）等等。不過這一類的抗生素在這幾十年來的臨床使用之下已經發現對其產生高度抗藥性的細菌了。也因此科學家們將注意力轉移到了另一個酵素，也就是 GT 的身上。胜肽聚醣 GT 家族當中，GT51（www.cazy.org）便是一個以結構為依據來開發新的抗生素的嶄新候選標的之一。


圖3. Structural Insight Into the Transglycosylation Step Of Bacterial Cell Wall Biosynthesis：Apoenzyme. PDB code：2OLU.


GT51 以及 TP 酵素也許均可以表現出單一功能（monofunctional）與雙功能（bifunctional）的蛋白質(1)，大多數雙功能的酵素都具備有一個 N-端 GT51 區（N-terminal GT51 domain）以及一個 C-端 TP 區（C-terminal TP domain），而且兩者之間由一個小連結區相互隔開著，如同下圖 4 所示。



圖4. Overall structure of PBP2.


GT51 永遠都是扮演著細胞膜相互結合的角色，它將 lipid II 五胜肽受質（lipid II pentapeptide substrate）與 beta-1,4-鏈結之 N-乙醯胞壁酸（N-Acetylmuramic acid，簡稱 NAM）與 N-乙醯葡萄糖胺（N-Acetylglucosamine，簡稱 NAG）進行聚合形成「(NAM-NAG)n」的聚合物。



圖5. 不同菌種的胞壁，其成分會有些微的差異。


至於 TP 區（TP domain）則是 solvent-exposed，同時催化著 NAM 上面 3’ 位置的乙醯基團（acetyl group）與胜肽進行交鏈。將 GT51 當成發展抑制劑的目標也許會比針對 TP 所造成的抗藥性來得小。目前只有一種由鏈黴菌屬（Streptomyces）所製造出來的天然成分 moenomycin 對於 GT51 所進行的反應具有抑制的效果，而且人類對於 moenomycin 的吸收效果其差無比，因此不會對人體產生影響(2)。儘管 moenomycin 在動物的飼料當中已經被廣泛的當成生長促進劑來使用，不過截至目前為止尚未有抗藥性的結果被報導出來(3)。


也就因為如此，瞭解 moenomycin 與 GT51 彼此之間究竟有著什麼樣的關連性對於日後設計出相仿的藥物來治療人類的細菌感染就變得相當重要了。由 Natalie C. J. Strynadka 教授所率領的研究團隊在 2007 年於國際知名期刊 Science 中便發表了一篇相關的論文，文中該研究團隊解出了抗生素 moenomycin 與 GT51 蛋白質的 X-繞射結晶結構，這對於瞭解蛋白質三度空間結構與抗生素彼此之間是怎麼契合而發揮抑制的作用，進而對於日後依照其空間特性發展出相關藥物來說均具有相當重要的影響。



圖6. 發表在自然期刊上該篇論文的標題影像擷取。



圖7. Natalie C. J. Strynadka 教授。


Strynadka 教授的研究團隊解出了兩個可溶性較短版本的 PBP2〔一種在金黃色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）中鑑定出來帶有雙功能的酵素〕蛋白質結晶結構：一個是單純沒有輔因子的結構（apoenzyme structure），解析度為 2.9 Å（PDB code：2OLU），另一個則是帶有抗生素 moenomycin 的複雜蛋白質結構，解析度為 2.8 Å（PDB code：2OLV）。兩個結晶在形成的過程中均需要 lauryldimethylamineoxide 這個介面活性劑(4)。



圖4. Overall structure of PBP2.


回到圖 4. 讓我們簡單的來看一下這兩個蛋白質結晶的特色為何。在 PBP2 結構中揭露出一個雙垂狀（bilobal）折疊區（尺寸為 55 x 60 x 110 Å）、GT51 區與 TP 區，以及一個將彼此分隔開來的短 β-rich 連結區。上述結構主要是氨基酸殘基 59 至 716，圖中省略了 N-端穿膜序列以及一些低複雜度的 C-端尾部。

頭部的 transpeptidase（TP）區負責在細胞壁形成時將糖分子交聯在一起，使其產生堅韌性。大多數的抗生素，比如說前面提到的甲氧苯青黴素便是作用在這個酵素區域使其喪失活性。某些對甲氧苯青黴素產生抗藥性的細菌就是因為這個區域的結構產生突變，所以使得抗生素失去藥效。

中間黃色的連結區則是將 TP 區與尾端的 glycosyltransferase（GT）區連結在一起。

至於尾部的glycosyltransferase（GT）區則是負責將細菌細胞壁上的糖鏈（sugar chains）組裝在一起。而 GT 這個結構區塊有一部份則是內嵌到細胞膜裡面。而抗生素 moenomycin 便是作用在這個區塊，有趣的是這樣的作用也許便是阻止抗藥性產生的關鍵。



圖8. 盤尼西林鍵結蛋白2（penicillin-binding proteins 2）的結構圖。圖中橘色的 A 是頭部 TP 區；灰色的 B 是連結區；藍色的 C 是尾部 GT 區；而黃色棒狀的結構則是抗生素 moenomycin 與 GT 酵素鍵結的位置。（圖片來源：http://www.hhmi.org/bulletin/aug2007/upfront/bacteria.html）


GT51 區具有兩個催化性穀胺酸殘基（glutamic acid residues）亦即 E114 與 E171。把這個區域單獨放大來看可以發現結構主要呈現出 α 螺旋並由兩大片段所組成：一個是球狀（globular）的頭部區（head domain），這個區塊連結一個鏈結區（linker domain）以及一個體積較小些的下顎部（jaw region），下顎部份則相當靠近細胞膜。以蛋白質結構的特色來看，球狀區是由七個 alpha 螺旋以及一段小 β 折疊所構成。


整個結構中最頂端 TP 區的活性位置針對其結構特性而言均含有 SXXK，(S/Y)X(N/C) 以及 (K/H)(T/S)G 的片段(1)。什麼是 SXXK 呢？它的意思就是在這一小段四個氨基酸的序列中，前後兩個一定都是絲胺酸（Serine，簡寫 S）與離胺酸（Lysine，簡寫 K），中間的兩個 XX 則表示可以變動的氨基酸。至於其他的英文代號 Y 表示 Tyrosine、N 代表 Asparagine、C 則是 Cystine、H 為 Histidine、T 則為 Threonine。

而 GT51 皺摺包含有五個 signature motifs。Motifs I 以及 III 包含有 GT51 的催化穀胺酸（分別是 E114 及 E171）。Motifs IV 及 V 則負責維持 GT51 皺摺的結構性，而 motif II 則形成下顎部次區間（jaw subdomain）的螺旋結構，它分裂成兩個口袋狀區，這對於受質的辨識也許是重要的。由 N-端殘基數過來 68 至 73 號氨基酸處是下顎部次區間中較低的部分，由於它屬於疏水性結構區，所以比較靠近細胞膜，當然屬於親水性的 TP 區便會朝外。


圖9. 不同細菌中 GT51 結構區的氨基酸序列片段圖。


至於與 moenomycin 結合的 GT51 蛋白質結晶構型也被研究團隊解開了。經過電腦計算之後發現 moenomycin 會結合到 GT51 皺摺中位在頭部與下顎區之間的縫隙裡。



圖10. moenomycin 結合到 GT 部位的結晶圖。（圖片來源：http://www.hhmi.org/news/strynadka20070309.html）




圖11. 抗生素 moenomycin A 結構圖。


若將 moenomycin 結構當中的糖環 B 到 F 在模型中以「椅式構型（chair conformation）」來表示，由於它會形成一個扭曲面，因此使得 F 環相當的靠近 E114 的活性殘基部位。至於 B 環則朝向鏈結區，D 環則朝外暴露。根據這個模型，缺少了糖環 D 的 moenomycin 衍生物依然保有其抗生素的抑制性(5)。至於環 A 則位在這個缺口側邊的出口位置。磷酸雙酯基團（phosphoric acid diester group）則位在環 B 到環 F 的下方，它導引了尾端的脂質片段往細胞膜方向延伸過去。



圖12. (A) 抗生素 moenomycin 在 GT 活性位置裡面的空間關係圖。灰色緞帶部分是 GT 的蛋白質骨架及各氨基酸殘基的相對空間位置，可以發現催化性穀胺酸殘基 E114 與 E171 就藏在其中。黃色棒狀結構則是抗生素 moenomycin。(B) moenomycin 化學結構表示圖。


扣除掉 moenomycin 尾部 25 個碳的 moenocinol 部分，整個 moenomycin 結構的電子雲密度也顯示在下圖 13 中。



圖13. 抗生素 moenomycin 去掉尾部 25 個碳鏈之電子雲密度圖。


綜觀來看，有了抗生素 moenomycin 與蛋白質之間的空間關係就可以進行相關抗生素衍生物的設計，將所設計出來的化合物進行最低抑制濃度數值的檢驗，這對一個化合物是否能成為抗生素來說是相當重要的一個步驟(6)。

此外，根據化學的相似性，moenomycin 結構中的糖環 C 與糖環 E 在與其結合時所遵循的路徑與 NAM-NAG 雙糖受質所遵循的路徑是一樣的。而且在 GT51 與 moenomycin 所共結晶出來的結果中亦顯示出糖環 C 與糖環 E 上面的氧原子與 N-乙醯基（N-acetyl）基團，以及其他三個 β-1,4-鏈結（β-1,4 linkages）的糖在空間上是以直線狀（linear）的方式排列著（如圖 12A 所示）。而對於 moenomycin 的「糖環 F/磷酸二酯基團/C25」的部分與作為 GT51 受質的「NAM/焦磷酸根/C55」部分，其彼此間的差異正好給予了 moenomycin 抑制性的說明。Strynadka 的研究團隊為了驗證這個假設，他們便利用 lipid II 的復合物與正在進行鏈成長的受質於 moenomycin-bound 結構模型中進行電腦模擬。過去以來，科學界對於 lipid II 在整個聚合反應中究竟是扮演著供給者（donor）的角色還是接受者（acceptor）的角色一直有所爭議(7)。透過單純無輔的酵素（apoenzyme）結構與結合有 moenomycin 的結構進行比對後終於得到結論：lipid II 扮演接受者（acceptor）的角色，而正在成長中的鏈（growing chain）則是扮演供給者（donor）的角色，當然這項結論也有許多過去的實驗數據支持著(7)。

如果要更進一步的去探討在活性中心裡面究竟發生了什麼事？那麼便進入到反應機構（mechanism）的層次。簡單來說，研究團隊在這邊提出一個模型，他們假設穀胺酸 E114 殘基扮演一個 Brønsted 鹼（Brønsted base）的角色，而且它會直接把 lipid II acceptor 的位在比較外面的那個 N-乙醯葡萄糖胺（NAG）上，第 4 號位置上（也就是 4-OH）的質子拔掉。而質子化（protonated）了的 E114 殘基則也許會受到相鄰的 R249 殘基而變得穩定。接著伴隨著一個 SN2-like 的攻擊，使得原本 donor 上面以 α 位向存在的前驅物翻轉成為以 β 位向鏈結的產物。而另一個穀胺酸 E171 殘基則會扮演將磷酸－糖（phosphate-sugar）分子給去質子化的角色，當然這裡也有可能是藉著二價陽離子（如二價鎂離子，Mg2+）穩定了焦磷酸根（pyrophosphate group）而協助了反應的進行。整個過程的解說如圖 14 所示。



圖14. 發生在 GT 活性中心的Lipid II 的聚合反應機構圖解。為了讓圖形看得比較清楚，圖中用 R1 代替 Ac 基團、R2 代替 NHAc 基團。右邊的圖形說明了兩個催化性穀胺酸殘基 E114 及 E171 是怎麼與 acceptor 及 donor 產生交互作用。首先，E114 抓去了 lipid II 鏈上雙糖區N-乙醯葡萄糖胺（NAG）上面 4 號位置 OH 的質子，使其跟正在成長中的 donor 的 N-乙醯胞壁酸（NAM）之一號位置在另一個催化性穀胺酸殘基 E171 催化下結合在一起，同時釋放出雙磷酸基團回細胞膜中，如此便能使整個 NAG-NAM 雙糖鏈不斷的成長。而左下角方框內的圖則是 glycan-鏈 donor（left side）與 moenomycin 的 E 環、F 環及 lipid II acceptor（right side）於活性中心內的相對空間圖。黑色的水平線代表細胞膜，左邊藍色粗矩型表示穿膜區，省略了的氨基酸序列則以藍色虛線點表示，指向十點鐘方向的黃色箭頭則是 NAG-NAM 鏈成長的方向。


研究人員發現，如果把模型裡正在成長中的鏈（donor）置換成 moenomycin 結構的話，那麼原本 NAG（N-乙醯葡萄糖胺）基團的位置則對應到 moenomycin 結構中的糖環 E，此外原本在隔壁的基團是 NAM（N-乙醯胞壁酸），則會變成糖環 F。此外研究團隊也發現，如果將 moenomycin 結構中 β-1,2-鍵結的糖環 E 與糖環 F 取代掉原本 NAM-NAG 雙糖的 β-1,4-鍵結的話，那麼 moenomycin 結構中的糖環 F 上面的每一個取代基都剛好會與原本位在 C+2 位置的 N-乙醯胞壁酸（NAM）結構中每一個取代基相互關連〔亦即原本在糖環 F 上面 3 號位置的 －OCONH2 基團會等同於原本 N-乙醯胞壁酸（NAM）5 號位置上面的 －CH2OH〕。由於在空間上有這樣的交錯性（staggering）發生，因此無論是抑制劑或是原本的受質，位在 C1 位置上的磷酸根基團（phosphoryl group）便均是指向相似的位向，也就是軸向（axial）。而且 moenomycin 上面 C4 的 OH 則大約會等同於 N-乙醯胞壁酸（NAM）環上的氧原子(8)。而 F 環上位在 C4 位置軸向的甲基（methyl）則在N-乙醯胞壁酸（NAM）平面的上方，並高過環上的氧原子。甲基的位置剛好介於進行親核性攻擊（nucleophilic attack）反應的 donor C1 位置與被 E114 所佔據的空間以及 acceptor 的 4-OH 進入位置三者之間。而這個空間則對應到 lipid II 位置的 +1 及 +2 位置上(9)（如圖 14 所示），也就是因為如此，甲基的存在阻擋了 E114 對 acceptor 末端 4-OH 的作用，使得整個糖鏈的成長過程被阻斷，因此抑制了 GT 的活性。

最後，研究人員針對整個 GT 蛋白質活性區域進行電荷分佈的分析，他們發現在活性位置的左手邊區域相較於右手邊而言是一個充滿正電荷（藍色）的區塊，這樣的性質也許協助了保留 acceptor 的脂鏈－焦磷酸根基團（lipid-pyrophosphate group）移動到 donor 的位置上。



圖15. GT 活性中心，包含活性口袋與缺口的詳細電荷分佈圖。藍色部分帶有正電荷，紅色部分則帶有負電荷。


進一步仔細的分析可以發現殘基 E114 及 E171 附近的潛在電荷分佈均是以正電荷為主，這個正電荷的區域從活性口袋的中間開始跨越了整個下半部的區域，這個區域在模型中剛好是和 moenomycin 結構中的磷酸雙酯基團產生相互鍵結的效應，此外 lipid II 受質本身所帶有的焦磷酸基團也剛好是鍵結在這個區塊之中。至於 GT51 折疊的疏水性區塊由圖 15 C 旋轉 90 度後也可清楚的被顯示出來（圖15 D）。


當然，Strynadka 教授的研究團隊所提出來的這個模型與相關的論點有許多詳細說明的內容寫在該篇 Science 期刊的本文當中，在這邊無法一一為大家詳盡的來解說，有很多結晶學領域的東西板主也不懂，如果上文中的說明內容有錯誤之處，也請各位高手不吝指正。不過可以確定的是，Strynadka 教授他們所解出來的這兩個蛋白質結晶對於往後針對這一類酵素家族進行抗生素設計時，均有了重要的模型參考依據。這個研究成果也開啟了讓我們更加的去瞭解在其它重要的 lipid-sugar GTs 家族中，其結構與官能（structure and function relationships）彼此間的相互關係。

 

原始論文：
“Structural Insight into the Transglycosylation Step of Bacterial Cell-Wall Biosynthesis”
A. L. Lovering, L. H. de Castro, D. Lim, N. C. J. Strynadka.
Science, 2007, 315, 1402-1405.


參考文獻：
1. C. Goffin, J. M. Ghuysen, Microbiol. Mol. Biol. Rev. 1998, 62, 1079.
2. R. C. Goldman, D. Gange, Curr. Med. Chem, 2000, 7, 801.
3. P. Butaye, L. A. Devriese, F. Haesebrouck, Antimicrob. Agents Chemother. 2001, 45, 1374.
4. Materials and methods are available as supporting material on Science Online.
5. P. Welzel et al., Tetrahedron 1987, 43, 585.
6. J. Halliday, D. McKeveney, C. Muldoon, P. Rajaratnam, W. Meutermans, Biochem. Pharmacol. 2006, 71, 957.
7. P. Welzel, Chem. Rev. 2005, 105, 4610.
8. O. Ritzeler et al., Tetrahedron 1997, 53, 1675.
9. A. K. Leung, H. S. Duewel, J. F. Honek, A. M. Berghuis, Biochemistry 2001, 40, 5665.


站內連結：
1. 科學，就是醬：抗生素的介紹 Part III 之一：Moenomycin A

2. 科學，就是醬：抗生素的介紹 Part III 之二：Moenomycin A － Moenocinol 的合成

3. 科學，就是醬：MRSA（超級金黃色葡萄球菌）國際研討會後記

4. 科學，就是醬：狙殺抗藥性細菌的新對策



－－
後記，給第一次訂閱本部落格的新朋友們：

真不好意思，最近一些新朋友們才剛訂閱就接到這麼艱澀的一篇文章，對於看得懂得朋友們而言大概會覺得太簡單，不過對於大部分不是理工科系領域的朋友們來說，大概會被這一篇文章嚇到吧！還希望各位多多包涵，這種文章在這邊其實並不是常態，不過因為有一些文章的發表行程是已經在幾個月前（不好意思，板主的事情有點多，所以拖的比較久一些）就已經排定的，碰巧最近發表出來，希望這樣的文章不會嚇跑大家才好！ XD

]]> Wed, 25 Jun 2008 13:25:28 CST <![CDATA[DNA 損傷修復機制調控的嶄新發現]]>

DNA 損傷修復機制調控的嶄新發現



基因突變的累積與癌症的發生已被證實為因與果關係，而基因突變的發生主要是 DNA 損傷後未能及時修復所造成的。出錯的 DNA 複製以及日常生活中生物體 DNA 對於紫外光、輻射線、毒素或一些致癌物質等的威脅，都會造成基因的突變。因此為了維護 DNA 複製準確度與彌補外在因素對於基因組所造成的 DNA 損傷，真核生物體細胞已經演化出細胞週期檢查點（cell cycle checkpoint）之機制來調控整體基因組的穩定，以防止基因的突變。因此瞭解細胞週期檢查點（cell cycle checkpoint）之調控機制已成為了解癌症發生不可或缺的重要課題。



圖1. 造成 DNA 損害的因素以及 DNA 遭受損害後會產生的狀況。（圖片來源：http://www.rndsystems.com/mini_review_detail_objectname_MR03_DNADamageResponse.aspx）


最近由中研院基因體中心暨生物化學研究所蔡明道特聘研究員所領導的研究群在細胞週期檢查點（cell cycle checkpoint）的調控上有了重大突破的研究成果，該研究報告已經獲得美國「分子細胞」（Molecular Cell）期刊的青睞並於 6 月 20 日以「Featured Article」刊登此重要研究結果。該研究報告結合了生化學、結構學、遺傳學與質譜學等研究方法，發現新的「計數磷酸化」（phospho-counting）的機制對於 DNA 損傷時訊息傳遞有非常重要的調控。



圖2. 檢查點之訊息傳導與計數磷酸化之訊息調控卡通圖。（圖片來源：http://genomics.sinica.edu.tw/ch/lib/classes/picture/PictureOutput.php?picture_id=539）


該研究成果主要是著眼於檢查點（checkpoint）機制中的「DNA 損傷訊息傳遞」（Signaling）的調控，該研究以模式生物（model organism）啤酒酵母菌（Saccharomyces Cerevisiae）來進行研究。



圖3. 啤酒酵母菌（Saccharomyces Cerevisiae）（圖片來源：http://www.bio.davidson.edu/courses/genomics/2004/Bossie/MFYG.html）


在細胞感應到 DNA 損傷之後，DNA 損傷訊息傳遞乃是藉由蛋白質的磷酸化作用所傳播下去，訊息傳遞的啟動則是來自於訊息上游的「1 號有絲分裂檢查點蛋白」（Mitosis entry checkpoint protein 1, Mec1）對訊息路徑下游的蛋白受質進行磷酸化的修飾作用。根據先前的研究指出，Mec1 蛋白激酶會傾向在含有連續的絲胺酸與榖胺醯胺或蘇胺酸與榖胺醯胺（Serine-Glutamine or Threonine-Glutamine, SQ/TQ）的受質胺基酸序列上進行磷酸化的修飾作用以做為訊息傳遞的開啟。

「絲胺酸/蘇胺酸蛋白激酶 Rad53」（Serine/Threonine protein kinase, Rad53）是啤酒酵母菌（Saccharomyces Cerevisiae）細胞週期檢查點（cell cycle checkpoint）中負責傳遞 DNA 損傷訊息的重要蛋白質分子。在 Rad53 蛋白激酶的胺基酸序列上含有高達 16 個 SQ/TQ 的胺基酸序列，其中有兩群 SQ/TQ 集中在一起，為 SCD1 與 SCD2（SQ/TQ cluster domain 1 and 2）。



圖4. Stereo views of the overlay of the ribbon diagrams of free Dun1-FHA (pale green) and free Rad53-FHA1 (cyan).


先前的研究也已經證實 Mec1 蛋白激酶會藉由磷酸化 Rad53 上 SQ/TQ 的胺基酸序列將傳遞訊息到下游，而且亦有研究指出 Mec1 可以藉由 Rad53-SCD1 的磷酸化修飾以調控 Rad53 蛋白激酶本身的酵素活性以及向將訊息傳遞到下游的「DNA 損傷反應蛋白激酶 Dun1」（DNA damage response protein kinase, Dun1）。然而，卻不是很清楚在 Rad53-SCD1 上這一群連續四個 TQ 所蘊含的意義為何？蔡明道特聘研究員所領導的研究群結合了生化學、結構學、質譜學以及遺傳學等研究方法，發現並證實了 Rad53-SCD1 的磷酸化修飾存在著「計數磷酸化」（phospho-counting）的調控方式。



圖5.計數磷酸化之結構基礎與證明。Close-up views and charge distributions of the binding surface of structures. Positive, negative, and neutral potentials are blue, red, and white, respectively.


當 Rad53-SCD1 內的蘇胺酸（Threonine）被 Mec1 蛋白激酶單獨磷酸化修飾後（singly phosphorylation），Rad53 蛋白激酶的活性就可以被啟動，而在 Rad53-SCD1 被 Mec1 蛋白激酶雙重磷酸化修飾後（doubly phosphorylation），Rad53 蛋白激酶才能夠將訊息往下傳遞到 Dun1 蛋白激酶並活化 Dun1 以因應 DNA 損傷，而 Dun1 已被證實能夠活化「核醣核甘酸還原酶」（Ribonucleotide reductase, RNR），將核糖核甘酸（Ribonucleotide）還原為去氧核醣核甘酸（Deoxyribonucleotide）以作為修復 DNA 的材料。

這個研究成果揭開並證實磷酸化如何調控 DNA 損傷訊息傳導的多重面向，橫向（Rad53-SCD1 與Rad53）與縱向（Rad53-SCD1 與下游的 Dun1）訊息傳遞可以由 Rad53-SCD1 磷酸化計數（phospho-counting）的模式來調控，此全新的 DNA 損傷訊息調控機制同時亦為癌症發生的基礎研究帶來嶄新的一頁。

此研究工作經費的乃是由國家衛生研究院的計畫 and GRC 所支持，本篇論文第一作者是蔡明道特聘研究員實驗室內來自南韓的李賢博士，而共同作者群中也包括台灣大學生化科學研究所博士班研究生陳聖文。本研究工作亦由澳大利亞 Melbourne 大學的 Jörg Heierhorst 博士所共同合作。

論文標題與所貢獻之作者群如下：
“Di-phosphothreonine-specific interaction between SQ/TQ cluster and an FHA domain in the Rad53-Dun1 kinase cascade”. Hyun Lee, Chunhua Yuan, Andrew Hammet, Anjali Mahajan, Eric S.-W. Chen, Ming-Ru Wu, Mei-I Su, Jörg Heierhorst, Ming-Daw Tsai, Mol. Cell. 2008, 30, 767-778.


原始報導：
中研院基因體中心 NEWS：蔡明道團隊發現新的 DNA 損傷修復機制之調控


站內連結：
1. 科學，就是醬：科學家發明了一種即時觀察 DNA 修補機轉的技術

2. 科學，就是醬：防曬不只是愛美，而是保護 DNA！ － 科學家首度發現 DNA 與曬傷的關係


]]> Sat, 21 Jun 2008 14:15:39 CST <![CDATA[度假志工何時來？花蓮小朋友在等您！]]>

度假志工何時來？花蓮小朋友在等您！



「志工老師，我們需要您！」

花蓮縣富里鄉學田國小共有55名學童，由於地處特別偏遠，沒有足夠的就業機會，不少父母都離鄉背井謀生，造成單親、隔代教養學童比率高達40%，不少家長白天要下田工作，晚上或假日需要休息，學童回到家裡，很少有人能夠指導他們寫作業、學技藝、生活教育等等。



圖1. 花蓮縣學田國小的小朋友們在等待志工老師的加入唷！


學田國小校長楊智璇表示，該校前校長許傳德於是想出「度假志工」的點子，號召遊客白天到花蓮南區旅遊，晚上住在學校，然後替學田國小孩童免費課輔。



圖2. 花蓮縣學田國小校長楊智璇老師


「度假志工」在民國 94 年 8 月開始實施時成效良好，白天志工們遊山玩水，晚上幫孩童課輔、說故事、帶遊戲，或是生活教育等等。

可惜的是缺乏在西部、北部強力文宣，民國 96 年 10 月開始，「度假志工」每下愈況，校長楊智璇開始用電子信箱告急求援，無奈「度假志工」已經有半年未見蹤影了。

楊智璇為了招募「度假志工」，將校長宿舍四個房間騰出三間，每名「度假志工」每晚住宿只收 150 元、午餐 40 元，低廉的費用，為的是換取「度假志工」對學童的關懷與照顧。


加入「度假志工」請上學田國小網站：http://stps.bifong.tw/www/html/。
報名表格則在：http://stps.bifong.tw/www/html/modules/tinyd0/index.php?id=7


更新日期：2008/06/07 16:30 記者張柏東/花蓮縣報導


相關連結：
1. 學田校長感恩各位關心

2. 志工老師教學照片剪影 － 志工老師陳老師伉儷教授直笛


--
嗯！這則新聞要義務幫忙宣傳一下！所以貢小丸看到的時候二話不說就轉了過來！
其實小小的台灣有很多地處偏遠的國中、國小與弱勢學生需要大家的關心與資源的支援
像政府一樣在那邊只會打嘴砲或是像什麼大企業、藝人又要嫁娶第二代花了幾百幾千萬的
倒不如多將一些自己能力所及的範圍擴充給這些弱勢的家庭與孩子
所以今後有看到類似的新聞，貢小丸二話不說會在自己的 blog 上面幫忙宣傳～ ^^

]]> Sun, 08 Jun 2008 01:09:30 CST <![CDATA[超級剪力地震以超音速傳遞震波]]>

The Aftershock Signature of Supershear Earthquakes



一個由法國與土耳其地震學者組成的研究團隊，最近從觀測資料中發現一種罕見的「超級剪力地震」（supershear earthquake）。這種前所未知的地震爆發時，主斷層會以極高速產生破裂，而且會在距離主斷層較遠的地區引發餘震，破壞力可能相當巨大。



圖1. A quake reading on a seismograph. A French-Turkish team of seismologists on Thursday said they had found evidence about the impacts of a rare but extremely violent earthquake called a supershear.


這項研究由法國「國家科學研究中心」（CNRS）的 Michel Bouchon 博士與土耳其海峽大學「坎地利觀測站與地震研究所」的 Hayrullah Karabulut 博士合作，論文刊於最新一期的美國《科學》周刊。兩位學者指出，超級剪力地震發生時，能量脈衝的行進速度可高達每小時 2 萬 1600 公里，遠高於在岩體內部傳遞的剪力波（S 波），其效應有如戰機以超音速飛掠之後出現的音爆。



圖2. 地震波的種類 － 體波（Body Waves）與表面波（Surface Waves）－圖片來源：http://en.wikipedia.org/wiki/Seismic_wave


這類地震 1999 年在土耳其（Izmit, Turkey）西北部發生過兩次，2001 年在中國西藏、2002 年在美國阿拉斯加州各一次。其中 2001 年 11 月 14 日，發生在青藏高原中北部昆侖山口西的芮氏規模 7.9 地震，地表破裂帶達 425 公里，至今仍是世界紀錄，破裂長度與規模的比例也遠遠超過統計值。不過上個月 12 日的中國汶川大地震仍屬於傳統類型，並非超級剪力地震。



圖3. November 14, 2001 - 發生在西藏芮氏規模 7.9 的地震，在地表上留下的痕跡（圖片來源：http://www.seismo-watch.com/EQS/AB/2001/011114.China.M7.9/011114.China.P1.html）



圖4. November 14, 2001 - 西藏－崑崙山大地震斷層衛星圖（圖片來源：http://www.ipgp.jussieu.fr/~lacassin/Kunlun/kunlun.html）


超級剪力地震並不常見，只會發生在直線排列的特定型態斷層上，讓震波能夠避開障礙、高速前進，並以輻射方式影響遠離主斷層的次級地質構造，引發難以預測的餘震。Bouchon 與 Karabulut 希望進一步研究容易發生超級剪力地震的地區，預先判定可能發生餘震的地區，這類研究對於餘震預警和救災都有幫助。


原始報導：
，更新日期 2008/06/07 04:33 閻紀宇綜合報導


原文：

New Study Sheds Light On Mysterious 'Supershear' Quakes



A French-Turkish team of seismologists on Thursday said they had found evidence about the impacts of a rare but extremely violent earthquake called a supershear

In a supershear, a pulse of energy can rip along the fault at up to 21,600 kilometres (about 13,000 miles) per hour -- many times faster than the speed of sound -- and can inflict immediate and potentially massive damage to buildings in the vicinity.

These quakes are not frequent and only occur on particular faults that are in a straight line, as this allows the pulse to be propagated without hitting an obstacle, rather as a car can speed along a straight road but slows at corners.

The devastating May 12 quake that hit China's southwestern province of Sichuan was not a supershear, but a conventional quake resulting from compression between two plates.

In a study published in science, researchers Michel Bouchon of France's National Centre for Scientific Research (CNRS) and Hayrullah Karabulut of Istanbul's Earthquake Research Institute pored over two supershear quakes that struck northwestern Turkey three months apart in 1999.

They also looked at a 2001 quake in Tibet that had a magnitude of 7.9 and produced a rupture of 425 kilometres, the longest ever observed, and at a supershear event in Alaska in 2002.

They found that supershears inflicted aftershocks in unexpected regions.

Compared with conventional, slower quakes, whose aftershocks are centred around the fault line, supershears unleashed aftershocks on nearby secondary faults and previously-dormant faults that had been awakened by stress from the rocketing pulse.

Being able to predict where aftershocks are likely to occur in a supershear-vulnerable zone could help save lives, although Bouchon, in remarks to AFP, commented " we need a lot more observations of large quakes to be sure" of where such spots could be.

The study is published in the US weekly journal Science.

© 2008 AFP


原始論文：

The Aftershock Signature of Supershear Earthquakes
Michel Bouchon and Hayrullah Karabulut
Science 6 June 2008: 1323-1325.
[Abstract]


]]> Sun, 08 Jun 2008 00:35:17 CST <![CDATA[科學家發明了一種即時觀察 DNA 修補機轉的技術]]>

Real-time Observation Of DNA-repair Mechanism



ScienceDaily (May 25, 2008) — 在學習生化課程時我們都曾經聽老師講過當 DNA 出現損害時，細胞會有一種修補機制來修復受損的 DNA，使細胞不會發生病變。過去這種只在課堂上學過的反應機轉，如今在經過科學家們的努力之後，終於首度即時地展現在人們的面前。這樣的修復程序對於防止細胞癌化而言可是相當重要的呢。



圖1. Researchers have witnessed the spontaneous repair of damage to DNA molecules in real time.


來自 Delft 大學的 Kavli Institute of Nanoscience 科學家們將這樣的結果發表在分子細胞（Molecular Cell）期刊當中，其研究成果也成為當期期刊的封面圖案。



圖2. Molecular Cell, 2008, May 23 日的期刊封面



圖3. 讓人們首度即時看到 DNA 修補機制的 Cees Dekker 教授


細胞本身有一種用來修補在 DNA 當中發生意外的機轉。這種損害分為兩種，一種是單股 DNA 的損害，另一種則是雙股 DNA 的損害，雙股 DNA 的斷裂所造成的傷害對細胞來說是最嚴重也是最致命的。通常這樣的損害是發生在紫外線的過渡曝曬或是 X-光的照射等等，有時候也會發生在細胞分裂（cell division）的過程當中，因為細胞分裂時，DNA 分子會分裂成兩個新的 DNA 分子。如果這樣的傷害發生後沒有適當的修復，那麼對於細胞本身的功能來說就會有相當危險的影響，嚴重會導致細胞發生癌化而變成癌細胞。


在 DNA 修復機制裡面有一種稱為「同源重組（homologous recombination）」的主要修補機轉。而 Delft 科技大學的研究人員就是讓人們首度即時地看到在這個機轉中所發生的事情，而且是在單一 DNA 分子的層面上。


為了要觀察它，研究人員將一個 DNA 分子在磁性珠子與玻璃表面之間做延展。然後透過一個外加的磁場使這個磁性珠子發揮作用，這樣研究人員便可以將 DNA 分子進行拉扯以及旋轉的動作，使其便於控制在所需要的型態下。當 DNA 分子進行修復時，便可透過珠子所發生的位移變化，讓科學家們觀測修復程序發生時的詳細資料。






Adapted from materials provided by Delft University of Technology.


原始報導：
ScienceDaily：Real-time Observation Of DNA-repair Mechanism


原始論文：
Homologous Recombination in Real Time: DNA Strand Exchange by RecA
Thijn van der Heijden, Mauro Modesti, Susanne Hage, Roland Kanaar, Claire Wyman, and Cees Dekker
Molecular Cell, 2008, 30, 530
[summary]


相關連結：
1. Wikipedia － DNA 修補（DNA repair）


站內連結：
1. 科學，就是醬：防曬不只是愛美，而是保護 DNA！ － 科學家首度發現 DNA 與曬傷的關係


]]> Sat, 07 Jun 2008 18:59:36 CST <![CDATA[癌症與免疫療法新突破，人造病毒幫大忙]]>

Self-assembled Viruses Efficiently Carry Genes And Drug Molecules Into Tumor Cells



ScienceDaily (Jun. 2, 2008) — 對於遭受病毒感染的宿主而言，病毒是一種能將遺傳物質打入細胞之中的專家。這樣的特性正好符合基因療法的需要，因為將來對於基因方面的疾病或是基因缺陷的治療而言，只要能將相關的健康基因注入病患的細胞當中便能進行治療。來自南韓研世大學（Yonsei University）的科學家們製造出一種人工的病毒來進行這樣的實驗。研究成果描述在國際知名期刊 Angewandte Chemie 當中，他們成功的將基因以及藥物轉移到癌細胞當中。



圖1. The researchers started with a ribbonlike protein structure (²-sheet) as their template. The protein ribbons organized themselves into a defined threadlike double layer that sets the shape and size. Coupled to the outside are "protein arms" that bind short RNA helices and embed them.


自然界的病毒是一種超高效率的基因轉移機器，它可以將基因轉移到細胞當中，透過這樣的特性我們便能拿來發展基因療法（gene therapy）；不過缺點是可能會造成免疫反應或是導致癌症的發生。如今透過一種人工病毒便不會有這些副作用，不過它的效率還不盡理想，因為這種人造病毒的尺寸與形狀還很難控制 －但這對於它們的功效而言卻是相當重要。由 Myongsoo Lee 教授所率領的研究團隊目前正在研發一種新的策略來讓他們的人造病毒於型態及尺寸上都能更加的固定。



圖2. 發展人工病毒的南韓研世大學教授 Myongsoo Lee


研究小組利用一種類似緞帶般的蛋白質結構（beta-sheet）作為模板。這些緞狀蛋白可以將它們自己組成輪廓鮮明的結構，這看似細絲狀的雙層結構控制著形狀與尺寸。之後連結上外圍扮演著「蛋白質手臂」的結構，如此便能與短的 RNA 螺旋相互結合便且嵌入其中。如果這個 RNA 針對特定的基因序列出現互補（complementary）時，它便可以終止調這段基因的讀取。這便是我們所知的小干擾 RNAs（small interfering RNAs，簡稱 siRNA），這樣的序列所展現出的結果便能讓我們應用在基因療法中。

而位在這些人造病毒表面上的葡萄糖結構則可以提升這些人造病毒與目標細胞表面的葡萄糖輸送蛋白（glucose transporter）相互結合的能力。幾乎所有的哺乳動物細胞中都可以找到這個輸送蛋白。癌細胞就擁有為數龐大的這個輸送蛋白。

透過人體癌細胞的細胞株實驗，結果顯示這種人造病毒就像 siRNA 一樣有著高效率的傳輸，同時也有效的阻絕了目標的基因。

此外，研究人員將一段疏水性基團（hydrophobic，與水相互排斥的，water repellant）分子 ─ 為了證明結果，他們使用一種染料 ─ 連接到人造病毒上。這種染料也會被輾轉輸送進癌細胞的細胞核當中。這個結果是相當有趣的，因為對於許多重要的抗腫瘤藥物而言，細胞核可是它們的攻擊目標呀！




圖3. a) Structure of Glu-KW. A -sheet peptide segment, nonionic segments (linkers and D-glucose), and a cationic segment are shown in blue, green, and yellow, respectively. Glu: D-glucose. For structures of all the building blocks (Glu-KW, NH2-KW, FAM-KW, Man-RKW, and Glu-RKW; FAM=carboxyfluorescein, Man=mannose), see the Supporting Information. b) Molecular model of the artificial virus incorporating small interfering RNAs (siRNAs; blue, double-helix shape) and hydrophobic guest molecules (red). c) TEM image of a Glu-KW  ribbon. Scale bar: 100 nm. d) CD spectrum of Glu-KW (15 M in PBS).



圖4. 超分子建構元件的化學結構圖


Journal reference:
1. Yong-beom Lim, Eunji Lee, You-Rim Yoon, Myeong Sup Lee, Myongsoo Lee.
Filamentous Artificial Virus from a Self-Assembled Discrete Nanoribbon.
Angewandte Chemie International Edition, 2008, 47, 4525%u20134528 DOI: 10.1002/anie.200800266

Adapted from materials provided by Wiley-Blackwell.


原始報導：
ScienceDaiyl：Self-assembled Viruses Efficiently Carry Genes And Drug Molecules Into Tumor Cells


站內連結：
1. 科學，就是醬：人造血液（Artificial Blood）的來源 － 塑膠！！

2. 科學，就是醬：人造蛋白質比自然蛋白質更好用


]]> Wed, 04 Jun 2008 00:01:09 CST <![CDATA[MRI 的好幫手－偵測癌細胞的奈米粒子]]>

Chemists Create Cancer-detecting Nanoparticles



ScienceDaily — MRI（Magnetic resonance imaging，核磁共振造影）可說是醫生最好的朋友，因為透過它便可以在不用開刀的狀況下偵測出藏在身體內的腫瘤。利用脈衝磁波以及測量訊號回復的狀態，MRI 便可以區別出體內不同的組織，比如說可以從肌肉組織中區分出骨骼、從固體中區分出液體等等。



圖1. Nanobonding The illustration (top) shows how a RGD peptide-coated iron oxide nanoparticle binds with an integrin-rich tumor cell. At bottom left is a MRI of a mouse with the implanted U87MG tumor (red circle). At bottom right is an optical image that reveals iron oxide nanoparticles (blue) amassed in the tumor area (pink).


科學家發現了一種磁性奈米粒子可以在 MRI 掃瞄時協助定位出腫瘤細胞的叢集位置。就像一枚小型的精確導彈，這些奈米粒子會去找尋腫瘤細胞然後緊緊的與他們連結在一起。這些奈米粒子一旦與腫瘤細胞連在一起後，這些粒子便像是無線發射器，使 MRI 的偵測能力能夠大幅提升。



圖2. 接上能偵測腫瘤細胞胜肽層的磁性奈米粒子與組織切片圖


現在，來自 Brown 大學的化學家 Shouheng Sun 與他的研究團隊製造出一種相當小的磁性奈米粒子並賦予它們搜尋及發現的任務。透過一層薄薄的塗佈物，讓這些粒子可以在 MRI 的偵測下發出強烈的訊號。



圖3. Brown 大學的化學家 Shouheng Sun 教授


這個結果已經被發表在美國化學協會期刊（Journal of the American Chemical Society）線上版本之中，作者包含 Brown 大學的研究生 Jin Xie, Chenjie Xu 與 Sheng Peng，以及來自 Stanford 大學的 Xiaoyuan Chen 等等。



圖4. Stanford 大學的 Xiaoyuan Chen 教授


研究小組製造出一種附著上胜肽的氧化鐵奈米粒子 ─ 所謂的奈米指的是十億分之一公尺，是一種尺度的表達。研究人員將這些奈米粒子注入小鼠中，希望檢測它定位出一種稱為 U87MG 的腦部腫瘤的能力。Sun 與他的研究團隊盡可能的將這些奈米粒子表面的胜肽附著物打薄，同時也盡可能的減低厚度，並確認這些奈米粒子結合到腫瘤細胞為止。

尺寸的大小是相當重要的，因為這些奈米粒子必須要能夠在微小的血管當中穿梭並且達到發生疾病的區域。太大的粒子會造成堵塞，使得整個循環系統出現大塞車的狀況。Sun 他的研究團隊開發的這種奈米粒子大小約是 8.4 奈米左右 － 某些比這個尺寸小上六倍的粒子已經被使用在醫學上了。



圖5. A) TEM of c(RGDyK)-MC-Fe3O4 NPs dispersed in water. B) Hydrodynamic size distribution of the c(RGDyK)-MC-Fe3O4 NPs dispersed in water.


Sun 說：「我們希望可以把它（奈米粒子）做得相當小，小到身體的免疫系統將它視而不見。同時也能讓這些奈米粒子與腫瘤細胞發生作用並接至其上。」

對 MRI 檢測來說，奈米粒子是相當重要的，因為這樣便可以提高背景（比如說來自於體內的水分子）與固態質量（比如說腫瘤細胞）之間的對比，讓科學家在判斷上更加的精準。



圖6. Prussian staining of liver, spleen, kidney and muscle.


至於塗佈層，它扮演著使奈米粒子與腫瘤細胞互相接合的角色，同時對於 MRI 在使用上，有關「訊號－雜訊比值（signal-to-noise ratio）」來說也是相當的重要。較薄的塗佈層，發散出來的訊號較強，反之亦然。Sun 教授的團隊將他們的奈米粒子塗上厚度僅有 2 個奈米的胜肽塗佈層 － 這已經比當今正在使用且是最熱門的 MRI 試劑 Feridex 還要薄上十倍。Sun 團隊製造出來的奈米粒子具有 50000-watt 的輻射發射能力；它可以輕易的讓 MRI「聽到」較強的訊號。


有關於這個研究的另一個重要特色就是發現了利用塗佈著 RGD 胜肽可以和 U87MG 腫瘤細胞完美地結合。研究團隊計畫在未來的動物實驗中能夠進一步去測試這些奈米粒子與其他腫瘤細胞結合的能力。

美國國家癌症研究所（National Cancer Institute）是屬於美國國家衛生研究院（National Institutes of Health）的一部份，這個研究也接受了 Department of Energy's Experimental Program to Stimulate Competitive Research（EPSCoR）經費的贊助。


Adapted from materials provided by Brown University.



原始報導：
ScienceDaily：Chemists Create Cancer-detecting Nanoparticles


原始論文：
Ultrasmall c(RGDyK)-Coated Fe3O4 Nanoparticles and Their Specific Targeting to Integrin αvβ3-Rich Tumor Cells
Jin Xie, Kai Chen, Ha-Young Lee, Chenjie Xu, Andrew R. Hsu, Sheng Peng, Xiaoyuan Chen, and Shouheng Sun
Web Release Date: 24-May-2008; (Communication) DOI: 10.1021/ja802003h
<Abstract> | <Supporting Info.>


站內連結：
1. 科學，就是醬：遞送抗癌藥物到細胞中的嶄新奈米材料

2. 科學，就是醬：透過奈米粒子，細胞也能散發光芒

3. 科學，就是醬：奈米圓柱 － 藥物遞送新方法


延伸閱讀：
1. Gigi 香氣玫瑰美人瑜珈：檢查脊髓的利器：核磁共振攝影（MRI）

]]> Sat, 31 May 2008 14:56:08 CST