2015年2月28日 星期六

細菌有記憶?

我們在發現自己怎樣也記不住一些事情的時候,總是會開玩笑說自己有魚腦、或是說自己該去吃點維生素B群還是銀杏之類的。

不過,大概不會有人認為,沒有腦的生物有記憶吧?但是,最近發表在PLOS One上面的研究發現,細菌好像真的有記憶喔!

研究團隊使用了李斯特菌(Listeria monocytogenes)來感染三種不同品系的小鼠。這三種品系的小鼠對李斯特菌有不同的反應:129/Sv 品系被感染後會病得相當嚴重,C57BL/6 品系無法被李斯特菌感染;而缺少Tyk2基因的C57BL/6品系(Tyk2-deficient (Tyk22/2) mice on C57BL/6 background)在被感染後會生病,但不會如129/Sv那麼嚴重。

李斯特菌。圖片來源:"Listeria monocytogenes PHIL 2287 lores"
by Elizabeth White - This media comes from 
the Centers for Disease Control and Prevention's 
Public Health Image Library (PHIL), with identification number #2287.
Note: Not all PHIL images are public domain; be sure to check 
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在感染48小時後,再由小鼠的脾臟中取血,從每隻小鼠的血液樣本培養出的菌落中各挑三個,以FTIR(Fourier-transform infrared)光譜儀偵測細菌的代謝物是否有變化。接著,研究團隊再將這些由小鼠體內分離出來的李斯特菌,持續培養再培養一段時間,觀察這些細菌們是否會「忘記」他們曾經在小鼠中感染所產生的轉變,還有,如果真的會「忘記」,要多久呢?

結果發現,這些由小鼠中分離出來的李斯特菌的FTIR光譜真的不同!不同的地方主要有兩個區域,一個是蛋白質區,另一個則是混合區。

至於多久才會「忘記」呢?研究團隊發現,這兩天對李斯特菌還真是難以忘懷,要在實驗室裡面重複培養六週才會「忘記」呢!

當然,要說是「記憶」是比較危險的,正如筆者的同事提醒,這早已不是同一隻細菌了!不過,筆者卻想到之前曾看過的研究提到,老鼠媽媽在懷孕時遇到食物不足的狀況後,雖然生出來的小鼠較瘦小,但如餵食正常飲食,反而比較容易產生糖尿病...不知道這兩件事之間是否由類似的機制啟動呢?

參考文獻:

Tom Grunert et. al., 2014. Deciphering Host Genotype-SpecificImpacts on the Metabolic Fingerprint ofListeria monocytogenes by FTIRSpectroscopy. PLOS ONE. DOI:10.1371/journal.pone.0115959

2015年2月27日 星期五

身體停止產生能量,還可以活兩年?

今天晚上看到這則新聞:「身體停止生產能量 英16歲美少女等待死亡」。新聞裡面提到這位女孩因為得了粒線體疾病(mitochondrial disease),導致「身體無法為重要器官及肌肉供給能量」,所以正在慢慢等待死亡降臨。

Corah-Beth Slaney. 圖片來源:BBC

以筆者十多年教學的經驗來說,看到這個新聞第一直覺就覺得「不可能」!如果真的「身體停止產生能量」,根本一下子就死了,怎麼可能還能從2011年活到現在呢?

再仔細看看那個新聞,裡面提到「糖尿病症狀及癲癇」,加上「粒線體疾病」,是什麼問題幾乎就呼之欲出了:肌陣攣性癲癇發作伴破碎紅纖維病變,(Myoclonic epilepsy with ragged-red fibers,簡稱MERRF)。

MERRF的病名是它的症狀的大集合:抽搐與肌無力、癲癇、以及不正常的肌肉細胞出現紅色纖維的型態。

這個疾病,根據美國國家衛生研究院(NIH)的網頁資料,MERRF目前依照缺損的粒線體基因種類,分成四種:第一種,也是最常見的,就是MT-TK基因缺損。

MT-TK基因負責產生lysyl-tRNA(攜帶離氨酸的tRNA),由於這個基因細胞核裡面沒有,一旦缺損,所有需要這個tRNA才能合成的蛋白質通通不能合成;當然就糟了。大概八成的MERRF都是這個基因出問題,生化課本裡面也只有提到這個基因跟MERRF的關係。

另外三種分別是:MT-THMT-TL1MT-TS1基因缺損。其中MT-TH基因負責產生histidyl-tRNA(負責攜帶組氨酸的tRNA)、MT-TL1基因負責產生攜帶白氨酸(leucine)的tRNA,而MT-TS1基因負責產生攜帶絲氨酸(serine)的tRNA。所以,當它們發生缺損,當然也不妙了。

對於不知道tRNA做什麼的朋友,可以點一下這篇文章,多了解一下tRNA的重要性。

回到我們的水果日報。筆者查了一下外電,的確有這件事發生:不過,BBC可沒說那位女孩的「身體停止產生能量」,但是既然水果報都已經說是「鏡報」了,所以筆者就再認真一點點,查到了「鏡報」的那篇文章

好吧,果然裡面有提到停止產生能量,

Just one month later, Corah-Beth Slaney, 16, from Nottingham, was diagnosed with mitochondrial disease - a life limiting disease that prevents the body from producing energy for vital organs and muscles.

可見鏡報的水準實在也不怎樣。不懂為何水果報的記者不去查一下BBC或是請教一下最廢的生科系學生,就算不能確定是MERRF,至少也不會鬧這種「身體停止產生能量」的笑話。

最後要提到,MERRF在全世界的盛行率大約是五千分之一,並不是一生下來就會發作,也有如這位新聞裡面的女孩,到青春期才出現問題的。

前陣子英國通過粒線體移植的法律,就是為了要避免粒線體疾病的出現。由於只有媽媽的粒線體會傳給孩子,因此粒線體疾病是母系遺傳,所以可以經由捐卵(其實是捐卵的細胞質)來治療粒線體疾病。媒體給粒線體移植取了一個很可愛的綽號:三親嬰兒(babies with three people)。

至於筆者為何說如果身體停止產生能量,一下子就死了呢?其實只要看氰化物(cyanide)中毒的人死多快就知道了,柯南跟金田一不是都很愛用嗎?

圖片來源:名偵探柯南漫畫
最後,粒線體的lysyl-tRNA基因(MT-TK)也被發現跟第二型糖尿病有關,所以所有這些資訊兜起來,幾乎可以確定是MT-TK型的MERRF...

揭開人類大腦新皮層(neocortex)發育的秘密(續)

上次在「揭開人類新皮層(neocortex)發育的秘密」一文中,跟大家分享了HARE5會使FZD8的表現量上昇,於是老鼠的大腦長大了10%。

當然,大腦大很重要,但是人的大腦不只是大而已,還有很多皺摺(腦迴)!如果光只是腦大無摺,就是所謂的「平腦症」(Lissencephaly),是一種發育障礙,平腦症的患者會有發展遲緩的問題,而且平均壽命也比一般人短很多。根據美國國家衛生院(NIH)的資料,平腦症的孩子在十歲以前就會夭折。
平腦症。圖片來源:"Lissencephaly" by Ralphelg - Own work.
Licensed under CC BY-SA 3.0 via Wikimedia Commons.

最近,來自德國普朗克研究所(Max Planck Institute of Molecular Cell Biology and Genetics)的研究團隊發現,當他們把人類的ARHGAP11B基因表現在小鼠體內時,小鼠的腦皮質幹細胞(cortex stem cells)數目增加了接近一倍,而且還產生了腦迴。

找到這個基因可不容易。一開始研究團隊花了一些時間比較流產的人類嬰兒的大腦與小鼠的大腦的構造,在比較與觀察時,研究團隊發現大腦皮層發育的過程很複雜,一種幹細胞可以再分化為數種不同的幹細胞,然後再接著分化下去。

最後他們決定幫每一種大腦皮層幹細胞建立一個螢光標記,以方便追蹤。說來容易作來難,不過最後還是完成了。接著,他們終於可以開始比較人跟老鼠的不同了。

比較的結果得到56個基因。其中一個,就是ARHGAP11B。但是為什麼選了它呢?原來,ARHGAP11B只存在於人、丹尼索瓦人以及尼安德塔人。黑猩猩雖然有它,但是是個殘缺的版本,也就是,黑猩猩不能表現ARHGAP11B。而老鼠沒有這個基因。

於是,研究團隊便在小鼠中表現這個基因,結果就是:除了腦皮層幹細胞幾乎加倍,還看到腦迴的出現。

最近有關大腦發育的新發現好多呀!不過筆者很期盼有一天我們真的能了解我們的大腦是怎麼運作的呢!

參考文獻:

Elizabeth Pennisi. 2015/2/26. Xeroxed gene may have paved the way for large human brain. Science Now.

2015年2月25日 星期三

生男生女一「聞」而知~如果你是狐猴的話

如何預測生男生女?筆者聽過朋友說看肚子圓或尖,也聽過愛吃甜或愛吃酸,人人有不同的說法,但是準確嗎?

有人會說最準確的是超音波,但是有時超音波也會看錯。雖然有人說超音波看是男生準沒錯,但筆者有位愛開玩笑的朋友曾說,說不定是個剛好把手指頭放在重要部位附近的女生(XD)。

不過,這個困擾對於環尾狐猴(Lemur catta)是完全沒有的!因為他們只要聞聞屁屁,就知道準媽媽懷的小寶寶是男是女囉!

環尾狐猴。圖片來源:"Ring-tailed lemur portrait 2"
by © Francis C. Franklin / CC-BY-SA-3.0.
Licensed under CC BY-SA 3.0 via Wikimedia Commons.

最近杜克大學(Duke University)的研究團隊發現,環尾狐猴的體味在懷孕時會改變。

狐猴的體味來自於牠們分泌的數種賀爾蒙,以及一些化學物質。當狐猴準媽媽懷的是男寶寶時,體味的改變(味道變淡,因為少了好幾種化學物質)會非常明顯;若懷的是女寶寶,則體味的改變不明顯。由於這體味是來自於狐猴生殖器的分泌物,因此,只要聞一下準狐猴媽媽的屁屁,就可以知道該買藍色還是粉紅色的被被囉!

參考文獻:

2015/2/24. Boy or girl? Lemur scents have the answer. Science Daily.

2015年2月20日 星期五

揭開人類新皮層(neocortex)發育的秘密

人類在地球上之所以能獨樹一格,主要就是因為我們有發達的大腦。我們的大腦,尤其是新皮層的發育,使我們發展出複雜的語言、文字、發明創造的能力,這些能力,即使在其他的靈長類中,我們也仍然超前。

究竟是什麼讓我們的大腦,尤其是新皮層,如此發達呢?許多科學家都致力於解開這個謎團,但是到目前為止成果有限。

最近,在杜克大學(Duke University)的研究團隊,似乎摸到了這個謎團的邊邊!

圖片來源:Current Biology
研究團隊發現了一個人類加速調節增強子HARE5(human-accelerated regulatory enhancer 5),它會加強一個FZD8(Frizzled 8)的表現。FZD8是一個受體(receptor),它的表現,會使得腦神經細胞加速分裂,造成新皮層增大了百分之十二。

研究團隊發現,HARE5會直接跟FZD8的啟動子接觸。當他們把HARE5用黑猩猩(Pan troglodyte)的取代時,發現雖然黑猩猩的HARE5與人的在序列相似度上最高,但是卻無法使FZD8的表現量上昇,於是新皮層就沒有變大。

研究團隊在這個題目上已經努力了多年。最近這些年,他們致力於尋找人類和猩猩在大腦早期發育時,表現量不同的增強子(enhancer)。HARE5是從一百零六個候選的增強子中找到的。

他們對於這個結果覺得很開心,不過也認為,這不過是剛開始而已。才剛剛摸到對的邊,接下來還有得工作可做呢!

參考文獻:

2015/2/19. Mouse embryo with really big brain: Evolving a bigger brain with human DNA. Science Daily.

J. Lomax Boyd et. al., 2015. Human-Chimpanzee Differences in a FZD8 Enhancer Alter Cell-Cycle Dynamics in the Developing Neocortex. Current Biology 25: 1–8.

2015年2月19日 星期四

酒粉(powdered alcohol)是什麼?

在2015/2/8的Science Daily上有一篇「The perils of powdered caffeine and alcohol」,引起了筆者的注意。

這篇文章裡面提到,美國有許多州已經禁止販賣「酒粉」,因為覺得這樣會使年輕人更容易偷喝酒。

不過,到底什麼是「酒粉」呢?

筆者查了一下資料,發現「酒粉」其實是用環糊精(cyclodextrins,如下圖)吸收酒精以後,將浸透了酒精的環糊精包裝在膠囊或是不透氣的包裝中,便可以成為方便攜帶的形式。

環糊精。圖片來源:"Cyclodextrin" by Stanisław Skowron - own work - shape of single monomers
from work of Bartosz Marcin Kojak. Licensed under CC BY-SA 3.0 via Wikimedia Commons.
等到要喝的時候,由於環糊精可以吸收其重量百分之六十的酒精,所以100克的「酒粉」加入250毫升的水,可以泡出濃度為4.8%的酒,大約是啤酒的濃度。

在德國,「酒粉」以Subyou的名稱販售;荷蘭則稱為Booz2go。而美國則稱為Palcohol,不過這幾年已經有好些州禁止Palcohol了。

在Science Direct的報導中,賓州大學醫學中心的科學家們認為,由於「酒粉」至少要花30秒的時間才能溶解,而且體積也沒有小很多,唯一的好處只是攜帶方便(所以背包客可能會比較喜歡吧)。至於吸食的可能性應該很小,畢竟酒精跑到鼻子裡是很不舒服的;而且「酒粉」並沒有比較便宜。他們覺得更危險的是粉狀的咖啡因(powdered caffeine)。

因為咖啡因真的可以濃縮、結晶成粉,所以粉狀的咖啡因其實是非常濃的。有多濃呢?一茶匙大約是25杯咖啡的量。即使對於酗咖啡者來說,一口氣乾了25杯咖啡都是非常危險的事情。

咖啡因過量會造成心悸、嘔吐、甚至抽搐,最近這幾年比較常見的咖啡因過量的不適症狀,常常是因為喝了咖啡又喝能量飲料(能量飲料中也含有咖啡因),或是將酒與能量飲料混用造成;但由於粉狀的咖啡因很容易購買,而消費者又不了解究竟多少咖啡因粉等於一杯咖啡,因此,潛在的風險可能比酒粉更高。而且,由於咖啡因粉的體積小,消費者也可能將其泡在一杯飲料(如果汁或汽水)喝下去,卻不知道這樣做等於在半小時內喝下25杯咖啡。如果真的是25杯咖啡,一天要喝下這麼多也難;但是當它以濃縮狀態出現時,喝下去相對容易,但造成的效果就跟一天喝25杯不可同日而語了。

就筆者所知,臺灣雖然沒有聽說過「酒粉」,但是卻有販售提神用的咖啡因錠。消費者如果打算買它來提神(筆者真有聽過有人服用),最好要先想一下可能會產生的健康風險。

蜘蛛絲退位!世界上最強的蛋白質是...

大家應該都知道蜘蛛絲是世界最強的蛋白質吧?完全由丙氨酸(alanine)與甘氨酸(glycine)兩種氨基酸所構成β-板(β-sheet)所組成的蜘蛛絲(見下圖),其強度可達1.5GPa,與同樣粗細的鋼絲差不多硬呢!

蜘蛛絲的結構。圖片來源:
"Structure of spider silk thread Modified" by
Chen-Pan Liao - http://en.wikipedia.org/wiki/Spider_silk.
Licensed under CC BY-SA 3.0 via Wikimedia Commons.
不過,最近科學家們在笠螺(limpets,Patella vulgata)的發現,可能要請蜘蛛絲讓出寶座了。

笠螺。
圖片來源:"Common limpets1" by Tango22 - Own work.
Licensed under CC BY-SA 3.0 via Wikimedia Commons.
笠螺這種看來不起眼的軟體動物,一生就是在淺水區的石頭跟沙子裡,用牠的牙齒磨啊磨地找食物;也就是因為這樣,所以牠的牙齒(由蛋白質構成)的強度比蜘蛛絲還強,大約介於3到6.5GPa之間吧!
笠螺的「牙齒」(左上角)。
圖片來源:"Napfschnecken Galizien2005".
Licensed under CC BY-SA 3.0 via Wikimedia Commons.
雖然這個強度比一些人造的物質(如:石墨烯)尚有不如,但也已經遠遠贏過蜘蛛絲了!如果您想知道什麼時候我們可以有笠螺材質的假牙?答案是不知道,就像當初發現蜘蛛絲比鋼絲還強的時候,也有人想開發蜘蛛絲,不過光是要合成就不容易,而要讓蜘蛛為我們繅絲,對不起,蜘蛛可不是蠶寶寶,當然笠螺也不見得多聽話啊!

參考文獻:

David Shultz. 2015/2/17. Spider silk dethroned as nature’s toughest fiber. Science Now.

2015年2月18日 星期三

轉譯(translation)三劍客可以沒到齊,蛋白質依舊形成?

從中學的生物學開始,大家都知道,細胞合成蛋白質必需要經過轉譯(translation)作用,而轉譯作用不可或缺的三劍客是:核糖體(ribosome)、信息RNA(messenger RNA,mRNA)與轉移RNA(transfer RNA,tRNA)。

轉譯作用。圖片來源:wiki
在上大學以前,大家對於DNA複製(DNA replication)、信息RNA的合成(轉錄作用,transcription)與轉譯作用三者之間的關係應該都了然於胸;而大家也知道DNA複製存在著校正(proofreading)的功能:當錯誤的去氧核糖核苷酸(nucleotide)被加到DNA的末端時,DNA複製機器會將這個錯誤的去氧核糖核苷酸水解、再重新反應,直到正確的去氧核糖核苷酸被加入為止。

而轉錄作用的校正機制,沒有DNA複製那樣精確;但是,蛋白質的合成有校正機制嗎?

有的。上了大學以後,我們會學到,當錯誤的氨基酸被加到正在合成的多肽鏈(polypeptide)上後,整個轉譯的機器會暫停,核糖體QC複合體(ribosome quality control complex)會過來,將合成到一半的多肽鏈加上泛素(ubiquitin),然後這條多肽鏈就會被分解。核糖體QC複合體包含了四個蛋白質,Cdc48p (AAA ATP水解酶)、Ltn1p(Ring E3連結酶)與另外兩個未知功能的蛋白質:Rqc1p 與 Rqc2p。

來自猶他大學(University of Utah)與加大舊金山分校(University of California, San Francisco)的研究團隊發現,其中的一個未知功能蛋白質Rqc2p的神秘功能。

當錯誤的氨基酸被加到正在合成的多肽鏈時,Rqc2p會在多肽鏈尚未被分解之前,指揮核糖體重複加入兩個氨基酸:丙氨酸(alanine)與蘇氨酸(threonine)。而且可以加到二十個之多。

丙氨酸。圖片來源:wiki
蘇氨酸。圖片來源:wiki
Rqc2p與核糖體在將丙氨酸與蘇氨酸加入時,完全不需要有mRNA的腳本;這跟我們一向知道的轉譯作用相違背。我們都知道轉譯作用時,核糖體需要閱讀mRNA的腳本,才能將正確的氨基酸一個一個加入。但是當錯誤的氨基酸被加入時,Rqc2p卻可以在沒有mRNA的狀況下,將丙氨酸與蘇氨酸重複加入。

但是,為什麼Rqc2p要指揮核糖體做這件事呢?

研究團隊認為,或許Rqc2p做這件事有兩個目的:其中之一是加速這個做壞了的多肽鏈被分解;另一個原因則可能是,測試轉譯機器是否仍可正常運作。而為何選擇了丙氨酸與蘇氨酸,則是因為Rqc2p蛋白在與核糖體結合後,本來就會跟連接這兩個氨基酸的tRNA結合。

這個研究結果,推翻了教科書上說的「轉譯一定要有tRNA、mRNA與核糖體才能進行」的結論。只能說,生物的世界是一個令人讚歎的世界,我們原本以為只能以DNA為腳本轉錄出RNA,結果在1970年由Howard Temin與David Baltimore推翻了這個想法;現在我們又發現蛋白質可以在沒有mRNA的狀況下合成,雖然只是由20個氨基酸所構成的多肽鏈,但這也已經足夠讓我們想到「有規則就有例外」這句名言了!

(台大科教中心擁有此文版權,其他單位需經同意始可轉載)

參考資料:

Peter S. Shen, Joseph Park, Yidan Qin, Xueming Li, Krishna Parsawar, Matthew H. Larson, James Cox, Yifan Cheng, Alan M. Lambowitz, Jonathan S. Weissman, Onn Brandman, Adam Frost. 2015. Rqc2p and 60S ribosomal subunits mediate mRNA-independent elongation of nascent chains. Science. 347(6217):75-78 DOI: 10.1126/science.1259724

2015年2月10日 星期二

重建大腦可能嗎?

放射療法對癌症治療很重要,尤其是腦癌與肺癌。但是,放射線對細胞的傷害--尤其是腦癌,經常使患者在治療後,除了失去癌細胞以外,還失去了記憶與學習能力,甚至經常意識不清。因此,有時雖然明知道放射療法可以殺滅癌細胞,但卻為了這些副作用的考量而無法使用,或必須使用低劑量。這個問題尤其在兒童腦癌時更令人困擾。

少突膠質細胞(oligodendrocyte)圖片來源:wiki
最近,史龍‧凱特林癌症紀念醫院(Memorial Sloan Kettering Cancer Centre)的研究團隊嘗試了一種新療法--他們把人類的幹細胞先誘導分化為少突膠質細胞(見上圖),再注入接受放射治療的老鼠大腦中。少突膠質細胞在放射治療時很容易受損、甚至會完全被消滅,這使得接受放射治療的兒童患者在學習與思考上趕不上同學。

在注入少突膠質細胞10天後,研究團隊發現,在小腦部位注入細胞的老鼠,在運動技能上比控制組表現得要好(尤其在平衡感上表現得更好);在前腦位置注入細胞的組別,則對辨認物體與周遭環境變化的能力表現得較佳。在兩個部位都注入細胞的老鼠,則在運動技能與辨認周遭環境上都表現得好。

當然,這個療法對於大腦構造比老鼠複雜許多許多倍的人,或許不見得可以讓我們在治療後百分之百恢復;不過,還是提供了新的想像空間。或許未來我們真可以重建大腦?筆者覺得,對如筆者這種五分鐘前的事情全忘光的人,或許該注射一些少突膠質細胞來恢復記憶嗎?

參考文獻:
2015/2/9. Fiona MacDonald. An injection of brain cells has restored memory and learning in rats. Science Alert.

認識當代科學家- Jim Kent 與人類基因體計畫

William James (Jim) Kent。圖片來源:wiki
Jim Kent 生於1960年2月10日。他在夏威夷出生,但是在舊金山長大。

他是電腦程式設計師,當他在加大聖塔克魯茲分校(University of California, Santa Cruz)生物系攻讀博士時,寫了GigAssembler這個軟體,使當時正在進行的人類基因體計畫(Human Genome Project)可以將定序出來的結果具體的發表出來。當時寫這個軟體除了自身以及同事的需求以外,另外也因為當時Celera Genomics同時也在進行人類基因體計畫;Jim和他的同事們擔心若不趕快將人類的基因體序列發佈出來,恐怕Celera會把某些序列拿去申請專利。

雖然當時Celera使用了世界上最快的超級電腦,而Jim與加大的教授David Haussler只是湊了50台電腦來用,但最後Santa Cruz的序列在2000年的6月22日發佈,並在當年的7月7日正式上網,並發表在隔年的Nature(Celera的成果發表於Science)。

Jim在2002年畢業,目前繼續留在加大聖塔克魯茲分校。


2015年2月9日 星期一

壯烈犧牲的科學家群像:立克次醫師(Howard Taylor Ricketts)與范波瓦切(Stanislaus Joseph Mathias von Prowazek)

立克次醫師。圖片來源:wiki

今天是立克次醫師(Howard Taylor Ricketts)的生日。立克次醫師生於1871年2月9日,1894年畢業於內布拉斯加大學(University of Nebraska),1897年於西北大學(Northwestern University Medical School)取得醫學學位。他在1900年與Myra Tubbs女士結婚,Myra對他的研究非常支持。雖然他曾經行醫(皮膚科),但是他大部分的時間都花在研究上。他的朋友們都說他是個謙虛的人。

在1902年,他由歐洲的巴斯德研究所回來,開始在芝加哥大學(University of Chicago)任教。在蒙大拿州的苦根谷(Bitterroot Valley),他與他的助理Russell M. Wilder開始研究落磯山斑疹熱(Rocky Mountain Spotted Fever),發現其病原為立克次體。為了紀念他,落磯山斑疹熱的病原被命名為Rickettsia rickettsii

立克次醫師在研究落磯山班疹熱時,由於這個疾病與斑疹傷寒極為相似,使得他決定在1910年前往墨西哥研究斑疹傷寒(當地把這種病稱為tabardillo)。不幸地,他在當地被傳染,並大約在他分離出病原體的幾天後的1910年5月3日病逝於墨西哥城。在他死後,家人於1912年在他生前最後服務的芝加哥大學捐了一筆錢,建立立克次獎學金(the Howard Taylor Ricketts Prize),贊助學生做研究。

同樣因研究斑疹傷寒而死的還有奧地利的細菌學與動物學家范波瓦切(Stanislaus Joseph Mathias von Prowazek),范波瓦切畢業於布拉格大學(University of Prague),與猶太裔的放射學家Ludwig Halberstädter一起發現了砂眼(Trachoma)的病原:衣原體(Chlamydia trachomatis)。他後來赴塞爾維亞(Serbia)、伊斯坦堡(Istanbul)研究斑疹傷寒,最後在德國的監獄中與巴西的Henrique da Rocha Lima醫師一同研究斑疹傷寒時被傳染,於1915年2月17日病逝。為了紀念這兩個人,於是斑疹傷寒的病原被命名為Rickettsia prowazekii

范波瓦切圖片來源:wiki
斑疹傷寒與落磯山班疹熱都是由節肢動物--虱子(louse,複數lice)為媒介。由於虱子不會跳,因此多半都發生在人口聚居的環境。在三十年戰爭與拿破崙戰爭時,斑疹傷寒大流行使得許多軍人死亡,甚至有人說拿破崙是敗在斑疹傷寒之手!

最後一提,有人知道粒線體可能就是由立克次體而來嗎? 在1998年發表於「自然」(Nature)期刊的文章中提到,斑疹傷寒(typhus)病原的基因體跟粒線體十分相似,同樣不具備有無氧代謝的酵素,也配備有許多與檸檬酸循環(克氏循環,Citric acid cycle)以及呼吸鏈(respiratory chain,electron transport chain電子傳遞鏈)有關的酵素與蛋白質。整體來說,跟所有微生物相比,粒線體與Rickettsia prowazekii在基因體上是最相似的。

參考文獻:

1. Siv G. E. Andersson et. al., 1998. The genome sequence of Rickettsia prowazekii and the origin of mitochondria. Nature.396, 133-140.

2. Wikipedia. Howard Taylor Ricketts. Stanislaus Joseph Mathias von Prowazek.

3. Ludvig Hektoen. HOWARD TAYLOR RICKETTS. Memorial Address at University of Chicago (15 May 1910)

4. Whonamedit? A dictionary of medical eponyms. Howard Taylor Ricketts.

2015年2月8日 星期日

現代人的口味改變,使我們得以嘴大吃四方

尼安德塔人。圖片來源:wiki

是否想過,我們為什麼無所不吃?為什麼猩猩只吃樹葉跟水果?

由三個學校組成的研究團隊,比對了現代人、尼安德塔人、丹尼索瓦人(Denisovan,生活在俄羅斯的現代人祖先)與猩猩的基因體後發現,現代人、尼安德塔人與丹尼索瓦人少了兩個感受苦味的基因:TAS2R62 TAS2R64,於是我們吃南瓜、吃蕃薯都不覺得有苦味,但猩猩卻不喜歡他們的味道。

南瓜。我們不覺得南瓜有苦味,但猩猩並不喜歡。
圖片來源:wiki
除此之外,人學會了煮東西吃;這也使得食物中的苦味變淡。隨著烹煮食物所造成的影響就是現代人的咀嚼肌球蛋白基因MYH16(masticatory myosin gene)消失了。這個特徵也出現在尼安德塔人與丹尼索瓦人的基因體中。

最後,負責產生唾液澱粉酶的AMY1基因,在現代人的基因體中被大量重複了(約6-20次),而尼安德塔人、丹尼索瓦人與猩猩都只有1-2個AMY1基因。這是否意味著人可以更快速的消化澱粉?還是因為烹煮食物後所帶來的演化?或者如某些科學家說的,為了防止蛀牙?筆者認為,由於唾液澱粉酶分解澱粉的最終產物是麥芽糖(maltose),而麥芽糖的甜味是可被嚐出來的;或許也因為唾液中澱粉酶增加,使我們能更容易喜愛那些在猩猩口中感覺淡而無味的禾本科果實(稻、麥、玉米)?

不管怎麼說,因為我們對苦味的靈敏度降低,使我們的食物版圖可以大大擴張,使人成為地球上少數可以遍佈全球的哺乳類動物。當然,對苦味比較不敏感,是否會使人相比於其他動物,較容易中毒呢?

參考文獻:

George H. Perry, Logan Kistler , Mary A. Kelaita , Aaron J. Sams. 2015. Insights into hominin phenotypic and dietary evolution from ancientDNA sequence data. Journal of Human Evolution. 79:55-63

寄生蟲的決鬥

白色大劍水蚤。圖片來源:wiki

有些寄生蟲會改變宿主的行為,如白色大劍水蚤(Macrocyclops albidus)。

當他們被絛蟲Schistocephalus solidus感染時,絛蟲會先使水蚤變得比較「宅」--活動力降低,這樣就比較不容易被魚類吃掉。但等到絛蟲已經準備好要搬家到魚兒體內時,他就會讓水蚤變得不安於室,到處活動,如此一來水蚤變很容易被魚兒吃掉。

但是,當兩隻絛蟲同時感染一隻水蚤的時候,會發生什麼事呢?蒲朗克研究所(Max Planck Institute for Evolutionary Biology)的研究團隊發現,當兩隻同齡的絛蟲同時感染時,效果會加成;但是,當不同齡的絛蟲同時感染一隻水蚤時,年長的永遠都贏過年幼的。而且,即使在有兩隻年幼的絛蟲的狀況下,年長的絛蟲還是贏過年幼的絛蟲團隊!大約可以這樣說,薑還是老的辣吧!

參考文獻:

2015/2/6. Daniel Cressey. Tapeworms battle it out to control shared host. Nature News.

Nina Hafer & Manfred Milinski. 2015. When parasites disagree: Evidence for parasite-induced sabotage of hostmanipulation. Evolution. http://dx.doi.org/10.1111/evo.12612

2015年2月6日 星期五

萊佛士(Sir Thomas Stamford Raffles)與斯文豪氏(Robert Swinhoe)

有沒有好奇過,新加坡有萊佛士酒店、萊佛士醫院,事實上還有萊佛士豬籠草、萊佛士花? 或者您更好奇,為什麼臺灣很多動植物都有「斯文豪氏」在前面?

在新加坡,除了酒店、醫院之外,還有萊佛士學院等等,都是為了紀念一個人:斯坦福‧萊佛士爵士(Sir Thomas Stamford Raffles,6 July 1781 – 5 July 1826)。而臺灣的「斯文豪氏」,則是因為發現這些動植物的人:郇和(Robert Swinhoe,1 Septempber 1836 - 28 October 1877,或譯為史溫侯、斯文豪、斯文侯)。兩個人前後隔了五十年來到亞洲,但都留下了值得紀念的貢獻。

萊佛士爵士。圖片來源:wiki
斯文豪。圖片來源:wiki

萊佛士爵士於1781年出生在牙買加附近的海船上。爸爸雖然是船長,但運氣不佳,讓家裡負債累累。雖然萊佛士爵士曾就讀寄宿學校,但在十四歲以後,就因為家庭因素不得不輟學,進入進入倫敦的英屬東印度公司充當僱員,來供養母親和四個姐妹。

1805年,他被公司派往今天的馬來西亞檳城,曾任蘇門答臘總督,並於1819年1月29日在馬來半島南端的小島上建立自由港,即現在的新加坡(後擔任新加坡總督)。 雖然他14歲就失學,但是並沒有放棄學習。他依靠自學,鑽研科學,學習數種語言,尤其對博物學頗有興趣。

由於他對於科學的興趣,在他在東南亞的時間裡,除了前面提到的萊佛士花、萊佛士豬籠草以外,還有小鼷鹿(又名鼠鹿)、食蟹獼猴、萊佛士蝴蝶魚、以及兩種鳥類都是由他發現及命名。 晚年在英國,萊佛士爵士還建立了倫敦動物學會與倫敦動物園,並擔任首任主席與園長。

小鼷鹿。圖片來源:wiki
萊佛士花,為世界上最大的花。圖片來源:wiki

矗立在新加坡河邊的塑像就是他,當年他就是在這裡登陸的。

圖片來源:wiki
而斯文豪氏則在1836年出生於印度加爾各答,曾回英國就讀倫敦大學(University of London),但是在1854年(18歲)加入了中國領事團。

在廈門他學會了北京話與閩語,在1860年他成了第一個在台灣的歐洲領事代表,後來又陸續被派往廈門、寧波、煙台等地;不過他最有興趣的還是博物學。他到處收集樣品(對鳥類尤其感興趣),寄回去給倫敦動物園與大英博物館;由他親自命名或因他有系統地採集而發表的臺灣物種,包含227種鳥類、近四十種哺乳動物、246種植物、兩百多種陸生蝸牛與淡水貝類、四百多種昆蟲,以及一些兩棲爬蟲類、魚類、無脊椎動物。因此,在台灣的許多動植物常會看到「swinhoei」或類似的字樣出現在學名的最後,中文便翻為「斯文豪氏XX」;萊佛士爵士發現的動植物,則會出現類似「rafflesi」的字樣。

斯文豪氏攀蜥(學名:Japalura swinhonis)。圖片來源:wiki

雖然這兩個人前後相差了五十年,但可以看到,他們熱愛科學的精神以及用功學習的態度。萊佛士爵士十四歲以後就沒有回學校了,而斯文豪氏雖然曾就讀倫敦大學,但以十八歲就加入中國領事團來看,筆者懷疑他可能也沒有完成學業。當然,歷史上沒有受過正式教育、或是只受過部分正式教育,但卓有成就的人也不少,所以,有沒有上學未必很重要,重要的是想不想學習呢~

不過,可不能把這些例子當作輟學的理由,更重要的應該是孜孜不懈用功的態度喔!

參考文獻:

首選珍藏 : 臺灣自然史研究先驅——斯文豪
Wikipedia. Robert Swinhoe.
Wikipedia. Stamford Raffles.

雄霸天下的螞蟻來自新世界

日常生活中,我們常見到螞蟻。牠們總是在角落忙忙碌碌的尋找我們不小心掉落的食物碎屑,那麼小,那麼不起眼。 
火蟻(Fire ants)
圖片來源:wiki

但是,我們也很容易可以辨認出他們來:那彎曲的觸角以及纖細的腰身,讓他們非常容易辨認出出來。古人形容女人纖細的腰身為「蜂腰」,其實從某些層面上,也可以被稱為「蟻腰」;不過,蜂(包括wasp與bee)與蟻本來就有些關連,牠們同目(膜翅目Hymenoptera)不同科,大約在一億三千萬到一億一千萬年前分家。

儘管牠們看起來那麼小,目前世界上估計有兩萬兩千種螞蟻,大約一半多一點已經分類,目前蟻科(Formicidae)共有三百二十三屬。不過,其中一屬Pheidole約有一千兩百種,為所有螞蟻中分佈最廣的--從三千七百萬年前開始,除了南極洲以及一些非常偏僻的孤島外,都可以看到這一屬螞蟻的蹤跡。

這一屬的螞蟻具有「二形性」(dimorphic):他們的工蟻(workers)有兩種:一種是一般的工蟻("minor" worker 或 forager),另一種常被稱為兵蟻("major" worker 或 soldier)。之前的研究發現,從工蟻轉換為兵蟻,與賀爾蒙有關。

工蟻。圖片來源:wiki
兵蟻。圖片來源:wiki

最近沖繩科學與技術研究大學(Okinawa Institute of Science and Technology (OIST) Graduate University)與密西根大學合作完成了二百八十五種Pheidole屬的螞蟻的九個位點的定序之後,比較這些位點後繪製出這些螞蟻的演化樹(phylogenetic tree)。

Pheidole屬螞蟻的演化樹。圖片來源:Proceedings B
結果發現,全世界這一屬的螞蟻可以分為兩大群:一群在新世界(美洲大陸),另一群則是在舊世界(歐、亞、非洲)。有意思的是,這一屬的螞蟻發源於新世界,在美洲大陸演化為約六百個不同的種類;其中的一種在某個時間點到達舊世界之後,又演化出六百個不同的種類。

有些人會認為,既然螞蟻總是在走來走去,全世界的螞蟻應該差別不大吧?事實上,研究團隊發現,雖然螞蟻總是到處走來走去找食物,但是他們的散播率比我們想像的要低很多。在Pheidole這一屬的一千兩百種螞蟻中,可以看到在舊世界各洲之間的螞蟻還是存在著頗大的差異。

不過,雖然這一屬的螞蟻分佈甚廣,但研究團隊也發現,他們喜愛溫暖而食物來源豐富的區域。

研究團隊希望能經由研究這一屬的螞蟻來了解牠們為何能雄霸天下的原因。畢竟,在兩萬多種螞蟻中,Pheidole這一屬,以種的數量來算僅佔百分之五,但是卻成為分佈最廣也最常見的螞蟻,絕對不是「幸運」二字可以解釋的。不過,由於在肉眼上很不容易鑑定,研究螞蟻並不是一件容易的事喔!

最後,雖然他們看起來那麼不起眼,但是螞蟻佔陸生動物總質量的百分之十五到二十五喔!可千萬別小看了牠們!

(台大科教中心擁有此文版權,其他單位需經同意始可轉載。)

參考文獻:

1. E. P. Economo, P. Klimov, E. M. Sarnat, B. Guenard, M. D. Weiser, B. Lecroq, L. L. Knowles. Global phylogenetic structure of the hyperdiverse ant genus Pheidole reveals the repeated evolution of macroecological patterns. Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences, 2014; 282 (1798): 20141416 DOI: 10.1098/rspb.2014.1416

2. 2014/12/24. The ants that conquered the world. Science Daily.

2015年2月2日 星期一

翟若適(Carl Djerassi)其人其事

翟若適,2004。圖片來源:wiki

翟若適(Carl Djerassi)在前幾天(1/30)去世了。他是誰呢? 他是猶太裔的化學家,在1951年與 Luis E. Miramontes 以及 George Rosenkranz發明了可以口服的黃體素(progestin norethisterone)。當時他在Syntex這家生物科技公司工作,後來成為它在Palo Alto的分支的總裁。

口服黃體素的專利文件。圖片來源:wiki

在了解了女性月經週期後,便有科學家想到,既然黃體素可以抑制排卵,如果可以口服,是否可以用來避孕或治療不孕呢?但是,天然的黃體素口服時會分解,並不適合做為口服劑;等到翟若適發明了不會分解的口服黃體素之後,開始有醫師將人工合成的黃體素用於調節月經;再經過桑格夫人(Margaret Sanger,1879-1966)的熱心奔走努力之後,終於,世界第一個口服避孕藥(Enovid,為黃體素與動情激素的合併製劑,如下圖)產生了。也因此,他被稱為「避孕藥之父」。

圖片來源:wiki

不過,一開始由於宗教界的反對力量強大,因此在1957年Enovid是以「月經調節劑」的名義上市,直到1960年才正式以避孕藥的名義出現在美國。

他出生於1923年,父親是保加利亞籍的猶太人,母親則是奧地利籍的猶太人;父母都是醫生。在1938年,他和母親為了躲避納粹,逃到保加利亞。1939年他和母親身無分文地移民到美國,母親辛苦地工作供應家庭,而他則在1945年於威斯康辛大學得到博士學位。

在他就讀博士班時,曾經短暫地在CIBA(後來也併入Novartis)工作一年;在那時他發明了口服抗組織胺Pyribenzamine (tripelennamine),也是他的第一個專利。1949年他開始在Syntex工作,在那裡他與其他兩人共同發明了口服黃體素。

他也曾任Wayne State University與史丹佛大學(Stanford University)的教授(1960)。在1968年,他開設了自己的生物科技公司Zoecon,生產以抑制昆蟲蛻變(metamorphogenesis)為機制的殺蟲劑。Zoecon最後輾轉併入Norvatis,但有一部份未併入,現在仍在德州生產殺蟲劑。

當他在史丹佛大學時,曾與諾貝爾獎得主Joshua Lederberg以及資訊專家Edward Feigenbaum發明DENDRAL這個軟體,用來解讀許多化學物質的結構(1965)。這個軟體也可說是現代人工智慧(artificial intelligence)的許多雛形之一。

翟若適後來不再從事科學,而開始寫跟科學有關的小說、劇本、詩集。他的五本小說中,其中如「康特的難題」(為Cantor's Dilemma之中譯本)是以科學倫理為本,討論到造假、學術競爭以及科學家的私生活等等。筆者看過這本書,只能說其中提到教授與研究生之間的信任以及教授之間的學術競爭的部分,看來真的頗為逼真呢!他多才多藝,不只是美國國家科學院院士,也是美國科學與藝術學院院士。

在1978年,他的藝術家女兒潘蜜拉自殺,使他開始大力協助藝術家們;包括成立基金會、為藝術家建立園區等等。他甚至為此賣掉了他的莊園呢!

有些人認為口服避孕藥造成道德淪喪,但口服避孕藥最大的貢獻其實是使婦女可以由重複的懷孕、生子、育兒的循環中解放出來,對兩性平權運動貢獻很大。若沒有避孕藥,婦女的專業生涯也無法順利發展;雖然即便有避孕藥,正如「康特的難題」中所言,由於社會普遍的看法還是認為育兒是母親的責任,因此書中的兩位女性其中一位,便為了事業選擇了絕育一途。(唉~)

參考文獻:

Carl Djerassi. Wikipedia.

改變女人命運的小藥丸-避孕藥()()。外科失樂園。