冷凍休眠技術新發現,清華團隊研究登頂尖期刊

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未來人類若想完成數百年的太空旅行,將人體冷凍休眠的技術是關鍵,細胞一旦結冰受損,恐怕難以回復原來功能。清華大學化學系教授江昀緯實驗室,首度利用電子自旋共振實驗技術,驗證水溶液降至零下93度的低溫下仍可以有兩種不同液相存在,為細胞低溫保存技術的研究再推進一大步。

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清大表示,這篇由江昀緯與其指導的博士生郭雲軒完成的論文「水分子與蛋白質的動態關聯」,也揭開了水與蛋白質互動的神秘面紗。過去學界多認為水主控了蛋白質的運動,但這項研究證實部分蛋白質運動元素超脫了水分子的掌控。

此篇論文最近登上美國化學會跨領域類頂尖期刊 ACS Central Science,這也是台灣學術界在該期刊中發表的首篇長篇論文,文章更被置頂於期刊官網首頁,標題寫著「水『奴役』蛋白質運動嗎?」,顯示這項突破性研究成果的重要性。

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「水分子極其簡單,但它的行為複雜度幾乎超越所有的化學分子!」江昀緯說,水在低溫下並非如大眾認知的只有結冰一種樣態,光是水「結冰」的結晶態到目前為止就已經被發現超過21種,還有許多神奇的臨界現象、衍生的熱力學相圖出乎意料地豐富精采,至今仍有許多未知,是當代物理化學研究的重要領域。

江昀緯團隊採用全台僅有、價值4000多萬的電子自旋共振實驗設備ST-ESR,偵測水分子在低溫下的運動,觀察到在零下33至零下93度的低溫下會發生「液-液臨界現象」。

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清華研究團體發現,調入微量甘油的水溶液在零下13度以下,就會進入「液相一」,溫度再降至零下83度「液相二」則會出現,這兩種液態相都相當穩定,但密度等性質不同,運動方式也不同,「這現象似乎違反直覺,因為兩種相的組成物都一樣、都是液體,但在低溫下卻可以彼此分離,存在於蛋白質表面。」江昀緯說。

江昀緯解釋,一般的食物水果若以低溫冷凍,一旦結冰,細胞就易脹破,也就是說,結冰的固態是最不理想的保存方式,很容易造成蛋白質的損傷。如果有天人類要去遙遠的星球太空旅行,需要冷凍數光年再復甦,就會需要更進步的低溫保存方式,如以低溫液態保存,清華團隊的研究即是往此方向推進一大步。

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這篇研究也解開了水與蛋白質互動之謎。蛋白質必須有水才能展現功能,但水對蛋白質而言只是陪襯嗎?還是主控、引導的角色?這課題在科學界已經爭議超過20年。

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江昀緯說,由於蛋白質與水分子互動非常頻繁與緊密,想要釐清兩者間各自所屬的運動是一件困難重重的任務。科學家為了區隔出兩者,常用的方法是在低溫進行研究,讓分子運動各自以不同步調變慢,才有機會釐清兩者互動關係。

江昀緯以建築來比喻,要蓋一棟摩天大樓,用一塊塊磚頭砌牆絕不可能完成,如今提供整棟摩天大樓的鋼骨結構(蛋白質基本運動元素),就只需要用混凝土隔間、糊外牆即可完成。找出蛋白質基本運動元素,科學家將可更清楚解析蛋白質如何藉由運動改變自身結構與功能,並在細胞內工作。

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來源: UDN