2018年諾貝爾化學獎 蔡蘊明譯 國立臺灣大學化學系轉載自https://www.ch.ntu.edu.tw/nobel/2018.html n  化學的(革命性)進化 演化的力量是透過生命來顯示的。2018年的化學諾貝爾桂冠頒給Frances H. Arnold (阿諾)、George P. Smith (史密斯) 和 Gregory P. Winter (溫特)爵士，表彰她/他們透過演化的控制為人類謀取了最大的福祉。運用人工定向演化(directed evolution)所製造的酵素，現在已被用來生產包括生質燃料和藥物等等的物質。抗體的演化可以透過一種噬菌體顯示(phage display)的方法來對抗自體免疫的疾病，以及在某些特定的例子中治癒轉移性癌症。 我們活在一個由強大的力量：演化，所主導的星球。在頭一批生命的種子於37億年前出現時，幾乎地球上的每一個裂縫都充滿了能適應身處環境的生物體：生長在光禿禿山脈的地衣、於溫泉茂盛生長的古菌、能存活於乾燥沙漠的多鱗爬蟲類以及能在黑暗深海中發光的水母。 學校裡我們在生物課學習到這些生物，但讓我們戴上一副化學家的眼鏡並換個視角來觀察，地球上的生物之所以能夠存在，是因為演化解決了無數複雜的化學難題，所有的生物都有能力從其環境的利基取得材料和能量，並用來建立它們的組成所特有之化學創造品。魚能在極地海洋中悠遊是歸因於其血液中的抗凍蛋白質，貽貝能攀附在岩石上乃因它們發展出了能在水中運作的分子黏膠，而這只是眾多例子中的幾個而已。 生命化學精彩的地方在於它被設計在基因的程式碼中，並讓它能被遺傳且不斷進化。一個小小的基因隨機變化就能改變其化學，有時這導致產生較弱的生物體，但也有可能產生一個很強壯的個體。新的化學慢慢的發展，而地球上的生命隨之變得愈來愈複雜。 這個過程現在已經演化出了三個非常複雜的人類個體，具有能掌控演化的能力，2018年的諾貝爾化學獎之所以頒給這三位科學家，乃因為她/他們透過定向演化革新了化學以及新藥物的發展(圖一)。讓我們先從酵素工程的明星：Frances H. Arnold (阿諾)開始介紹。 圖一 2018的諾貝爾化學獎得主們能控制演化並進一步的在她/他們的實驗室中向前開拓  n  酵素 ─ 生命的化學工具中之利器 即便在1979年，身為一位剛取得機械與航太工程學位的新鮮人，阿諾就已經具有了一個憧憬：透過新科技的發展以謀求人類的福祉。美國已經決定在2000年要有20% 的能量是來自於再生能源，而她剛好在研究太陽能，不過這個產業的未來前景於1981年的總統大選後，產生了巨大的改變，因此她將眼光改為投注於新興的DNA (去氧核糖核酸)科技，她自述”很明顯的，對於我們每日生活上所需要的材料和化學品，可以利用改寫生命密碼的能力來創造新的製造方法。” 用傳統方式製造藥物、塑膠和其它化學品需要強力的溶劑、重金屬和腐蝕性的酸，她的想法是捨棄這些方法而改用生命的化學工具：酵素，它們催化在地球生物體中發生的化學反應，如果她能掌握設計新酵素的方法，就可從根本改造化學。 n  人的思考是有限的 最初就如同在1980年代末期的許多其他學者一般，阿諾企圖使用推理的策略來重塑酵素，讓它們具有新的性質。然而酵素是極端複雜的分子，它們是由20種不同的結構單元 – 胺基酸 – 以幾乎無限種可能的組合方式結合而成的，一個單一的酵素分子可以包含數千個胺基酸，它們連結成長鏈的型態，進一步摺疊成三維的立體結構，其中用來催化特定化學反應的局部結構，是建立在整體結構的內部。 運用邏輯推導來決定如何將這一個精密的構造重新調整，以賦予其新的功能，即便是運用現在的知識以及電腦能力來看，亦是非常困難的。在1990年代初期，謙卑的折服在大自然的優越能力之下，阿諾決定放棄上述她所謂“有些傲慢”的策略，取而代之，她獲取的靈感來自於使用大自然優化化學的方法：演化。 n  阿諾開始操弄演化 有好些年，她試圖改變一個稱為”枯草桿菌蛋白酶”的酵素，讓它不是在水溶液中催化化學反應，而能在一個有機溶劑：二甲基甲醯胺(簡稱DMF)中運作。此時她刻意在酵素的基因密碼中製造隨機的變化 – 突變 – 然後將這些突變的基因引入細菌中，並產出數千種不同的枯草桿菌蛋白酶變體。 在這之後的挑戰是如何從如此眾多的變體中，找出在該有機溶劑中運作效率最高的那些酵素。在演化學中我們說的是適者生存；在定向演化學中，這個階段稱為”選汰”。 阿諾利用枯草桿菌蛋白酶能切割一種牛奶蛋白質 – 酪蛋白 […]

化學安全的教育視角   李賢哲 國立屏東大學應用化學系 sjlee@mail.nptu.edu.tw   先敬祝各位讀者新年快樂，這期的化學新知部分，或許是個人的偏好，較多於化學安全相關之文章，第一篇是當代無人機在精密農業上的應用，第二、三篇則聚焦於化學教育最需強調的安全訓練領域，謹提供大家參考與指正。 一、無人機使用於農業用途之回顧與展望 由於個人對於無人機(UAV)的喜愛，這一期化學新知部分，首先與各位先進介紹無人機於精密農業(precision agriculture)之應用。這篇2018年回顧之論文作者來自開發中國家印度，目前印度仍有70%人口依賴著農田耕種生活，但農業使用之土地卻面臨空前的危機，尤其是害蟲與昆蟲造成的農業土地病變，降低農作物的生產效率。爰此，殺蟲劑(pesticides)與肥料(fertilizers)的使用，以提高農作物之產率，更加重農民與環境的負擔。這些被農業使用之化學藥品，如果能藉由無人機噴灑系統(drone spraying systems)的使用，搭配多光譜相機(multi-spectral camera，440-510 nm 藍色、520-590 nm綠色等)系統進行農地植被自動偵測與判別，期能減少以人工噴灑殺蟲、除草藥劑，相對造成的人員健康危害；並達到更有效的使用噴灑藥劑以降低藥劑對於土地負擔衝擊與造成的環境污染。 個人對於此文獻內容，認為科技的發展始於人性，如圖一說明無人機之發展自傳統固定翼(fixed wing)(a)、單旋翼(single rotor)垂直起降( helicopter) (b)持續發展至多旋翼(multi rotors drone)之形貌(e)，也正好為這多元的無人載具，提供用途持續開創的空間(例如載貨與人員使用)。然無人機機體結構的成本、操作的費用(例如電池)和操作人員的訓練與政府相關法規的制定等，對於無人機的普及具有相對重要之影響，讓大家樂觀以待。 圖一:無人載具依其時程的進程與發展樣貌，e為最貼近當前之樣貌 (取自 Mogili, 2018)。 參考文獻：Mogili, UM R. & Deepak, B. (2018). Review on Application of Drone Systems in Precision Agriculture. Procedia Computer Science, 133, 205-509. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1877050918310081。   二、二十一世紀的化學安全教育 – 培養化學家的安全資訊能力 在教育過程中，每位學子試著在其選擇職業類別中，努力取得成功所必需要的各別技能或能力組合。例如，申請成為一位合格之實驗化學家(bench chemist)所須具備的資格可能標準要件如下:1. […]