與水共舞的脂膜分子-科學人雜誌 Back to Top
科學人新聞

與水共舞的脂膜分子

2005/02/04 邱淑慧
從脂膜分子與水的微妙律動,開創出醫學研究的嶄新視野。

重點提要

台大物理系趙治宇,以自己動手改裝的儀器,首度完成在電子顯微鏡下觀察液態水環境的重大突破,並且發現脂膜分子與水分子共存時呈現出的特殊狀態。期望運用於活體細胞的觀察,對醫學研究有所貢獻。
沒有水就沒有生命,生物體內的每個小小細胞都充滿了水,也都生存在水裡,但是,水分子是否能直接通過細胞膜,卻一直未有定論。而台灣大學物理系趙治宇,利用自己改造的全球第一部生物環境穿透式電子顯微鏡(Bio TEM),首度觀察到水與脂膜分子的共存狀態,是一種未曾發現的微妙動態平衡。這項研究成果發表於2004年12月10日《物理評論通訊》(Physical Review Letters),引起了國內外許多生物學家與醫學家的注意與重視。



趙治宇以他自行改裝的BioTEM,觀察到一種前所未見、由脂膜與水分子所形成的共存狀態。




細胞膜是一種雙層脂膜(lipid bilayer),膜外層為親水端,內部則為疏水端,因此離子與極性分子不易通過。1980年代以前普遍認為,當分子夠小、動能夠大時,分子可以經由滲透方式而通過細胞膜。1988年,阿格雷(Peter Agre)以實驗證實,水分子可經由膜蛋白構成的通道而進出細胞;1998年麥金農(Roderick MacKinnon)則利用X光繞射,確認了細胞膜上離子通道的蛋白質結構。阿格雷與麥金農也因此獲得2003年諾貝爾化學獎。然而,細胞膜的脂膜分子間並無鍵結,水分子真的不能穿越?

趙治宇用Bio TEM觀察離子型液晶分子「1-十二烷基咪唑」的硝酸鹽(化學式為[C12H25-imH][NO3]),這種分子有個很長的烷基疏水端,又有個親水的含氮雜環,性質上與細胞膜分子非常類似,在水中也會形成像細胞膜般的雙層脂膜結構。在Bio TEM下,這種脂膜分子和水分子產生了一種從未見過的繞射圖案(見右頁上圖),趙治宇表示:「這個圖案具有六角方向性,顯示它不是液體;但這個圖形也非清晰的繞射點,可見分子具有運動,不是固體;此外,它的六個暈狀弧形不似液晶的清晰可辨,可見分子間關聯性極低,排除是液晶的可能。而且,這個由水與脂膜共存時所呈現的新狀態,還具有可逆的相變發生,不是一個混合態。那麼,它到底是什麼?」

經繞射圖形分析與位置關聯性的計算,趙治宇發現脂膜分子的關聯性與液態相同,且在脂膜分子間有約0.5奈米的空隙,從繞射圖形研判,脂膜分子間會不斷開合律動,使水分子得以進入,並因此減弱了脂膜分子間的凡得瓦力,使分子間關聯性大幅降低,但仍可維持一定的六角方式排列(繞射圖案為六個暈狀弧形)。趙治宇認為,從他們觀察到的現象,可以推論水能夠經由與脂膜分子間的互動,而滲透進出。

「脂膜–水」共存態的電子繞射圖案(上圖)具有六角方向性,但卻沒有清晰的繞射點。一般液態物質因為分子排列與運動雜亂無序,不具方向性,繞射圖案呈現均勻(無方向性)、暈狀(分子運動)的圓形。固態物質分子排列有一定規則(但在不同方向有各異的規則)且分子固定,繞射圖案呈現清晰而有固定方向的繞射點。而介於此兩者之間的液晶,則是具部份方向性且分子關聯性高,繞射圖案呈現清晰弧形。這次新發現的狀態,與此三者皆不相同。

研究液晶二維薄膜多年的趙治宇,為觀察液晶薄膜結構,致力改造穿透式電子顯微鏡(TEM),並在一年多前完成了全球第一部可以觀察活體生物的電子顯微鏡,這是一具可以同時控制壓力、溫度及濕度的奈米尺度觀察儀器。Bio TEM的自製試片座,共分為水層、緩衝層與真空三層,並維持三層間的動力平衡。待觀測物置於最內部的水層,由於水會從水層上方小孔逸失,緩衝層必須不斷抽氣,以維持試片座外的真空環境,這是電子顯微鏡運作極為重要的條件。由於試片座水層厚度只有一微米,電子束通過時仍能維持彈性散射,雖然解析力降低了2~3倍,對比度也會略為減少,但不會影響觀察結果。

趙治宇觀察到的「脂膜–水」共存狀態以及他的Bio TEM,在科學界引起了一陣熱烈討論。台灣大學物理系主任張慶瑞表示:「在物理上,要定義是否為一種新物質狀態並不容易,然而在生物與醫學上,這的確是一項重要的成就。」台灣大學口腔生物研究所專研蛋白質與離子通道的樓國隆指出:「這是令人興奮的成果,如能克服樣本製備的困難,在微小奈米尺度下觀察活體細胞,將可以解決生物學許多隱藏的秘密。特別是研究水分子聚集時,可能會有的特殊排列規則。」中央研究院生化學所陳長謙院士則提出了其中的困難點:水分子的紛亂運動會干擾觀察,且細胞膜上的蛋白質外型太過相似,觀察時恐怕不易辨認。

發現了簡單脂膜分子與水的微妙律動之後,趙治宇希望接著能以Bio TEM對生物細胞膜上的蛋白進行三維影像電子繞射,以觀測蛋白質與水分子之間是否也存在著微妙的律動。

如果這部Bio TEM的技術可以克服種種困難並加以發揚光大,對於生物學在細胞分子層次的研究,將有劃時代的影響,未來可能可以應用在藥物研發與病毒致病機制等研究上。然而這需要更多生物學家與醫學專家的積極參與,正如趙治宇所說,Bio TEM的一切都還只是剛開始,未來還有非常多的研究工作要做。

【欲閱讀更豐富內容,請參閱科學人2005年2月創刊號】


# 關鍵字:科學人新聞物理
更多文章
活動推薦更多
追蹤科學人