這是一個眼見為憑的世界—結構生物學 - 科學月刊

結構生物學（structural biology），是一門運用儀器設備輔助、讓科學家「看見」僅依賴肉眼無法探索微小世界的科學。

在生命科學領域中，結構生物學家搭配各 ... Search/搜尋 分類選單 -文章分類- 封面故事 NewsFocus 專訪 專欄 科技報導 評論 精選文章與其他 活動訊息 專欄 文章專區 2019-11-01這是一個眼見為憑的世界—結構生物學 599期 Author作者 傅煦媛／臺大生化科技系（原農化系農製組）博士，現任職於國內生技公司。

喜歡幫蛋白質拍照但不喜歡被照，堅信「natureneverliesbuthides」，在博學不精、夢想用更多視角看蛋白質的 結構生物學生命細胞微生物分子生物學蛋白質傅立葉轉換乙醯膽鹼酯酶阿茲海默 結構生物學，是一門關心生物大分子（如蛋白質、核酸等分子）的學問。

了解結構背後的生理意義，進一步改變、設計並開發出新藥或應用，是此學科的最「接地氣」的目的。

而這學科，究竟是從何而起？又會邁向何處？在臺灣，現階段的發展又是如何？   結構生物學（structuralbiology），是一門運用儀器設備輔助、讓科學家「看見」僅依賴肉眼無法探索微小世界的科學。

在生命科學領域中，結構生物學家搭配各式各樣的工具，並綜合生物化學、生物物理學和分子生物學等學門，窺探看似沒有生命特徵的生物巨分子，如DNA、RNA和蛋白質等，如何「成就」生命這件事。

這篇文章概述結構生物學的起源、概況並展望研究趨勢。

從看不見到看得見 古人云：「眼見為憑。

」所以，「看見」原本看不見的事物，可以說是生物學家開創不同研究領域大門的第一步。

人類肉眼無法直接看見的世界中，第一次突破性的發展，可以回溯到17世紀英國科學家虎克（RobertHooke）和荷蘭科學家雷文霍克（AntonyvanLeeuwenhoek），前者利用光學顯微鏡觀察軟木塞的小方格並命名為「細胞」，後者則打磨設計出可以觀察微生物的透鏡組。

兩人的研究開啟生物學中兩個重要的次領域──「細胞學」與「微生物學」，並奠定科學家為了能「看見」更多未知的事物、拓展更大的視野而奮力不懈的基礎。

  而結構生物學的起點，則源自於弗蘭克林（RosalindFranklin）那一張關鍵的DNA結晶X光繞射（X-raydiffraction）圖，它點亮了華生（JamesWatson）與克里克（FrancisCrick）1953年的DNA雙股螺旋結構論文，輔助奠定分子生物學中相當重要的DNA半保留複製（semiconservativereplication）理論。

與此同時，貝魯茲（MaxPerutz）與肯卓（JohnKendrew）等科學家也利用X光繞射觀察肌紅蛋白與血紅素等蛋白質結晶，將得到的X光繞射圖譜透過傅立葉轉換（Fouriertransform），計算三維空間中電子雲的密度，最後歸納出蛋白質的結構。

  此外，科學家也利用核磁共振光譜法（nuclearmagneticresonancespectroscopy,NMR）觀察更接近生理活性狀態的蛋白質懸浮液，得到代表組成蛋白質中各個原子的化學微環境光譜訊號，經計算後回歸出每一個原子的相對位置。

最後，利用電子束觀察生物巨分子的低溫電子顯微鏡技術（cryo-electronmicroscopy,cryo-EM），以電子束觀察在冷凍狀態下生物巨分子的拓樸影像，透過電腦運算重建成生物巨分子的三維結構。

  回顧從第一個生物巨分子的結構被解析出來至今，根據蛋白質數據資料庫（proteindatabank,PDB）的統計，資料庫中利用X光繞射解析的結構有89%，其次是8%的核磁共振光譜法，電子顯微鏡（electronmicroscopy,EM）或低溫電子顯微鏡則占2%。

結構生物的應用 結構生物學，讓科學家得以利用所「看見」的生物巨分子結構，進一步提出更具體的假設、設計實驗，驗證生命中的各式生理現象。

除了前面提到DNA雙股螺旋結構與DNA半保留複製的理論，像是臺灣雨傘節的神經性毒素α-Bungarotoxin，會造成被攻擊者的呼吸與心跳衰竭，甚至導致死亡；而此後果與α-Bungarotoxin阻斷在神經訊號傳遞中扮演重要角色的乙醯膽鹼酯酶（acetylcholinesterase）有關。

科學家進一步從乙醯膽鹼酯酶與α-Bungarotoxin結合的結構中，了解α-Bungarotoxin如何阻礙乙醯膽鹼酯酶的正常生理功能，再設計出可以暫時阻礙乙醯膽鹼酯酶的藥物，用於減緩阿茲海默症的症狀（圖一）。

  儘管在「看不見」生物巨分子的情況下，可以減少科學家先入為主、看圖說故事的研究方式。

但是，不可否認的，「看見」生物巨分子，避免科學家雞同鴨講、系統性地解決問題，才能拓展科學的視野。

從看得見到看得更廣、更清楚 視野拓展之後，科學家的野心當然不僅止於此。

就像現在人們不只希望相機可以拍攝出照片，還追求畫質更好、更清晰的影像；結構生物學家也希望可以看見更多狀態、更清楚生物巨分子的全貌，回答更多微觀世界的問題。

  解析度革命（TheResolutionRevolution），是40年來結構生物學重大的里程碑之一，除了生命科學領域，來自數學、物理、材料、機械和資訊等不同領域的科學家集結通力合作，使出渾身解數讓結構生物學到達另一個境界。

......【更多內容請閱讀科學月刊第599期】 回列表頁 加入收藏 列印 相關推薦 科學月刊11月號/2019第599期：犯罪潛意識 特別價$237 新訂一年方案：《科學月刊》一年12期 售價$2580 新訂兩年方案：《科學月刊》二年24期 售價$4900 TOP 本站使用第三方服務進行分析，以確保使用者獲得更好的體驗。

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