技術名稱 4-kbar高壓系統之架設及其生醫研究與應用
計畫單位 國立清華大學
計畫主持人 江昀緯
技術簡介
儘管現今科學家對於蛋白質的結構,動力學,與活性都有相當程度的瞭解,但是要如何抑制或活化蛋白質進而作為藥物一直是科學家所好奇的事情。科學家嘗試許多種手段來調控蛋白質活性,其中包含調控溫度,加入抑制劑或活化劑改變反應途徑,還有進行單點突變來加強或弱化蛋白質活性。然而,將這樣的策略拿來開發新藥物來阻斷致病路徑還是一項非常大的挑戰。
溫度與壓力作為熱力學最基礎的兩項參數,不僅僅作用於物理的相變化或者是化學反應,就連生物分子的活性,甚至對於細胞的型態都扮演重要的作用。因此,利用最簡單的這兩項參數來調控蛋白活性是非常具有潛力的,但是對於生物而言,溫度並不是一個適當調控的參數,因為過高的溫度會導致蛋白質,核酸以及脂質變性,進而造成細胞永久失去活性,另一方面,過低的溫度會導致生物體內最重要的水形成冰晶,同樣的也會造成細胞失去活性、蛋白質結構遭受破壞,在這樣的情況下,能夠調控的溫度範圍僅能從四度至四十度,是一個非常狹窄的調控區域。
除了溫度,壓力也是能夠調控物理或化學反應的參數之一。在自然環境中,深海有著一千大氣壓的壓力,還是有非常多生物在深海中存活著,因此壓力被視為較溫和,並且具有調控生物活性的重要潛力股。儘管科學家將壓力視為值得調控的研究參數,但壓力的調控遠不如溫度容易,尚待進一步研究開發,因此本研究企圖自行建立高壓系統來研究生物樣品。
細胞凋亡一直是人類好奇的細胞調控機制,有別於細胞壞死,細胞凋亡是生物體演化出使細胞退休而死亡的過程。但是在癌細胞中,常常看到這樣的過程被過度的抑制,導致癌細胞無法被正常代謝,進而不斷地複製,擴散。本研究致力於發展高壓系統,並且利用此高壓系統研究細胞凋亡相關的BAX蛋白的活性是否能夠被壓力所調控。最後,本研究歷經三年,自行組裝了能夠施加四千大氣壓於蛋白質、細胞等生物樣品的高壓系統,並且發現BAX蛋白的活性確實能夠被壓力所調控,希望此研究能夠繼續往後發展,更了解蛋白質的性質,進而能調控他的行為、成為生醫研究的方法。
科學突破性
本研究自行架設四千大氣壓的高壓系統,與美國國家科學院院刊的研究相當,能夠對任何生物溶液樣品施加額外的壓力,得以調控蛋白質功能,是文獻報導過的第二部高壓ESR。本研究驗證能透過高壓誘導出蛋白在常壓下所隱藏的構形,而這構形才是真正決定蛋白質功能的關鍵。這樣的研究方法將會成為是未來生醫研究的關鍵工具。
產業應用性
本研究發展的高壓系統由於藉由液壓的方式傳導,可以替代高危險性的氣壓系統,節省安全系統的成本,液壓系統也同樣地節省了氣壓系統所需要的氣體儲存槽的成本,所有元件皆台灣製。另外,本實驗室已經驗證了此高壓系統的可擴展性,並成功的從微升等級放大到毫升,代表著此高壓系統的可拓展性。
關鍵字 高壓系統 蛋白質活性調控 生物物理 細胞自裁 蛋白質構形 電子自旋共振 變構轉換機制 電子自旋標記 生物化學 生物醫學
備註
Physical Chemistry Chemical Physics 19 (14), 9584-9591
https://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2017/cp/c7cp00401j
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