【與水共舞的脂膜分子】

江南布衣

【與水共舞的脂膜分子】

 

從脂膜分子與水的微妙律動，開創出醫學研究的嶄新視野。 

撰文╱邱淑慧 

 

 

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。
 
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。

 

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。

 

 

引用：http://sa.ylib.com/news/newsshow.asp?FDocNo=633&CL=14