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冷凍電顯研究酶學 生科系陳青諭助理教授新突破 

發布日期: 2019-04-19    文/陳如枝
中央大學生科系陳青諭助理教授與中研院蔡明道院士共同合作的研究成果,登上最新一期《美國化學學會期刊》(Journal of the American Chemical Society,簡稱JACS)封面。陳薏安攝
中央大學生科系陳青諭助理教授與中研院蔡明道院士共同合作的研究成果,登上最新一期《美國化學學會期刊》(Journal of the American Chemical Society,簡稱JACS)封面。陳薏安攝

由中央大學生命科學系陳青諭助理教授與中央研究院生化所蔡明道院士等人共同合作,利用新穎的高解析冷凍電子顯微鏡技術成功證實了硫磺礦硫化葉菌之熱穩定性酮醇酸還原異構酶(ketol-acid reductoisomerase, KARI)的活性會受pH影響並對輔酶NAD(P)H具雙特異性。本研究已於4月17日刊載於最新一期頂尖的《美國化學學會期刊》(Journal of the American Chemical Society,簡稱JACS),研究成果圖片並獲選作為當期期刊封面。這是國際上第一篇利用高解析度冷凍電顯結構來明確探討酶學的文章,也是第一篇利用此技術深入探討酵素反應機制的論文,此研究結果極具工業應用價值。

工欲善其事,必先利其器

2017年諾貝爾化學獎頒給冷凍電子顯微鏡研究的三位學者。科學家可捕捉自然狀態下動態的生物分子,將生物樣品瞬間冷卻於玻璃質超薄冰層中,來研究細胞結構、病毒和蛋白質的最微小細節,並藉此觀察生物分子執行功能時所處的不同結構構型。

看準這波研究趨勢,中央大學與中研院冷凍電子顯微鏡中心合作,利用新穎的冷凍電顯技術,解析古生菌酮醇酸還原異構酶的蛋白質結構,將酶的作用機理清楚揭示。而期刊封面3D立體描繪「次奈米」蛋白質酵素結構,猶如一幅藝術創作般精彩呈現,讓人驚艷!

文章的第一作者兼共同通訊作者陳青諭說,「工欲善其事,必先利其器」。感謝中研院的遠見與臺灣蛋白質計畫(TPP)的支持,增購最先進冷凍電子顯微鏡,才有今日的成果。當前冷凍電顯研究,像是一場軍備競戰,精良的儀器設備是基本配備。同時也非常感謝蔡明道院士對年輕教授的栽培,才有現在精彩的合作成果呈現。

他們所研究的酵素,則是追隨2018年諾貝爾化學獎得主弗朗西絲‧阿諾德博士實驗室長期以來在關注的主題反轉酮醇酸還原異構酶對輔酶的偏好度,將其對NAPDH的偏好改成NADH,其具有高度的工業應用價值,可用於生產生物燃料-異丁醇。

萬念俱灰下的靈光乍現

陳青諭也不諱言,此次研究的亮點之一,是她萬念俱灰下的靈光乍現。當時酵素結構的解析度有做出來,但卻一點活性也沒有,面臨可能失敗重來的沮喪,讓她整整苦惱了一個多月。停下腳步重新思考後,她意外掌握到pH值這項關鍵因素,同時也利用冷凍電顯結構揭示了這個酵素的活性如何受到pH的影響。另一方面酵素通常對於其作用的受質或是輔酶具很高的專一性,有如同「鑰匙與鎖孔」的關係,但是這個酵素卻可以使用兩種輔酶(NADH與NADPH),她最後另闢蹊徑利用高解析冷凍電顯結構找出「一個鎖孔適用不同鑰匙」之門路,掌握了酵素對輔酶的雙重特異性,也是此文章的獨道之處。

此外,陳青諭也說,「蛋白質結構一定要想辦法解析清楚,才有辦法應用。」以往的冷凍電顯結構解析度低,看不清楚,只能以輪廓學來形容。現今高解析冷凍電子顯微鏡如虎添翼,利用電顯對蛋白質分子拍照,可取得成千上萬個不同面向的個別蛋白質分子影像,以數學方法來重構,可達近似原子等級的解析度,將蛋白質結構看得一清兩楚,也是一大突破!

三位大師的養成機緣

本土教育養成的陳青諭,很幸運在求學之路遇上好幾位大師級人物。台大化學所博士班期間,由王惠鈞院士與陳長謙院士共同指導,在中研院生化所開始接觸結構生物學和 X光晶體繞射技術。而博士後研究,在陳長謙院士的鼓勵下,在中研院化學所開始冷凍電子顯微鏡技術的研究之路。她也非常感謝到中大任教之後,博班的指導老師王惠鈞院士繼續支持她在冷凍電顯的研究。而此次發表的論文,她與蔡明道院士焚膏繼晷一直奮戰到除夕夜,所幸投稿的過程相當順利,不到二個月時間就被接受。

喜歡大量閱讀的陳青諭,一路走來,在人文領域有不錯的表現,因受國中理化老師啟蒙,進而朝化學領域發展,雖然從事理工研究,但她的文字表達和邏輯都相對優異。她認為,研究要做得好,最重要是實事求是的精神,必須理性面對,同時也要能忍受挫折與孤獨,最終才有苦盡甘來之時。

年輕的助理教授在開展研究工作的初期,會遇到各式各樣的困難,要能想辦法堅持與克服,才能存活下來。陳青諭非常感謝來到中大任教之後,受到化學系同事各方面的支持,尤其是研究資源的協助,才有機會堅持到現在,結出甜美的研究果實。其中尤其要感謝中大的李光華副校長、蔡惠旭教授、謝發坤教授以及清大化學系廖文峯教授與洪嘉呈教授等人的協助與幫忙。最後感謝所有實驗室的成員,除了一起努力做科研,不管發生任何事都給予陳老師最大的支援。

期刊封面「次奈米」蛋白質酵素3D立體結構描繪,猶如一幅藝術創作般精彩呈現,讓人驚艷!照片陳青諭老師提供
期刊封面「次奈米」蛋白質酵素3D立體結構描繪,猶如一幅藝術創作般精彩呈現,讓人驚艷!照片陳青諭老師提供
更新日期: 2021-07-07 文章分類: 學術新聞 瀏覽人次: 741