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发现低温水世界 台清华团队研究登顶尖期刊

清华化学系教授江昀纬着迷于水分子研究。 (清大提供)

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【大纪元2018年06月20日讯】(大纪元记者江禹婵台北报导)如果有天人类要去遥远的星球太空旅行,需要冷冻数光年再复苏,就会需要更进步的低温保存方式,如以低温液态保存,像电影《星际效应》中的“冬眠舱”,就是许多星际旅行科幻作品中重要的概念,清华大学首度利用电子自旋共振实验技术ST-ESR,验证水溶液降至-93℃的低温下,仍可以有两种不同液相存在,为细胞低温保存技术的研究再推进一大步。

未来人类若想完成数百年的太空旅行,将人体冷冻休眠的技术是关键,细胞一旦结冰受损,恐怕难以回复原来功能。清华大学化学系教授江昀纬与其指导的博士生郭云轩完成的论文“水分子与蛋白质的动态关联”,揭开了水与蛋白质互动的神秘面纱。过去学界多认为水主控了蛋白质的运动,但这项研究证实部分蛋白质运动元素超脱了水分子的掌控。

此篇论文最近登上美国化学会跨领域类顶尖期刊 ACS Central Science,这也是台湾学术界在该期刊中发表的首篇长篇论文,文章更被置顶于期刊官网首页,标题写着“水‘奴役’蛋白质运动吗?”,显示这项突破性研究成果的重要性。

清华化学系教授江昀纬论文登上美国化学会跨领域顶尖期刊 ACS Central Science,更被置顶于官网首页。 (清大提供)

简单的水分子 有最复杂行为

水是地球生态圈与生物体内最重要的组成部分,国内小学三年级课本就教到水有固液汽三态,一般人也都能说出水的沸点与冰点。但正是看似简单的水H2O,令江昀纬着迷不已,一头栽进水的研究。

“水分子极其简单,但它的行为复杂度几乎超越所有的化学分子!”江昀纬说,水在低温下并非如大众认知的只有结冰一种样态,光是水“结冰”的结晶态到目前为止就已经被发现超过21种,还有许多神奇的临界现象、衍生的热力学相图出乎意料地丰富精彩,至今仍有许多未知,是当代物理化学研究的重要领域。

清华化学系教授江昀纬说,最简单的水分子,却有最复杂的行为。 (清大提供)

江昀纬团队采用全台仅有、价值四千多万的电子自旋共振实验设备ST-ESR,侦测水分子在低温下的运动,观察到在-33至-93℃的低温下会发生“液-液临界现象”。

清华研究团体发现,调入微量甘油的水溶液在-13℃以下,就会进入“液相一”,温度再降至-83℃“液相二”则会出现,这两种液态相都相当稳定,但密度等性质不同,运动方式也不同。江昀纬说:“这现象似乎违反直觉,因为两种相的组成物都一样、都是液体,但在低温下却可以彼此分离,存在于蛋白质表面。”

清大化学系江昀纬教授研究团队。 (清大提供)

江昀纬解释,一般的食物水果若以低温冷冻,一旦结冰,细胞就易胀破,也就是说,结冰的固态是最不理想的保存方式,很容易造成蛋白质的损伤。如果有天人类要去遥远的星球太空旅行,需要冷冻数光年再复苏,就会需要更进步的低温保存方式,如以低温液态保存。

由于蛋白质必须有水才能展现功能,科学家为了区隔出两者,常用的方法是在低温进行研究,让分子运动各自以不同步调变慢,才有机会厘清两者互动关系。

江昀纬实验室也朝低温方向展开研究,但采用了罕见的电子自旋共振实验技术ST-ESR,因而看到了过去其他技术看不到的慢尺度运动,开拓了一片新的蛋白质动态研究领域。

其次,江昀纬团队发挥化学家的专长,对蛋白质进行定点突变、调控蛋白质侧链长度、改变其单一侧链物理性质,在独特的化学修饰与作法下,即可清楚辨认出蛋白质与水分子各自的运动,证明许多蛋白质运动元素确实可以脱离水分子的掌控,得以推翻过去学界普遍认为水主控蛋白质运动的认知。

江昀纬表示,蛋白质分子的运动极其复杂,就算使用最先进的超级电脑也无法模拟出每个细节。此项研究则以数学的角度,提出到5至10个基本的蛋白质运动元素,也观察到蛋白质在低温下的侧炼运动(大动)、群与群交换的群跳运动(中动)、与骨架基础运动(小动)等。

他以建筑来比喻,要盖一栋摩天大楼,用一块块砖头砌墙绝不可能完成,如今提供了整栋摩天大楼的钢骨结构(蛋白质基本运动元素),就只需要用混凝土隔间、糊外墙即可完成。找出蛋白质基本运动元素,科学家将可以更清楚解析蛋白质如何藉由运动改变自身结构与功能,并在细胞内工作。

往-93℃以下更低温世界探索

此篇论文的第一作者为郭云轩,去年刚从清华毕业,目前服替代役中,积极准备赴国外进行博士后研究工作。江昀纬十分肯定云轩对科学的热情与坚持,“全球会ST-ESR技术的人屈指可数,这项研究全靠云轩从头做起,取得多项创新成果。”◇

清华化学系教授江昀纬的“水分子与蛋白质的动态关联”论文,登上美国化学会跨领域顶尖期刊 ACS Central Science。 (清大提供)

责任编辑:宇璇

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