諾貝爾化學獎 2005-2015

十年諾貝爾化學獎的非凡成就 科學各領域的大融通、跨領域的整合趨勢 　　探索生物中巨大分子的量子計算，為量子化學建立里程碑。 　　合成化學研發眾多新穎觸媒，爆發出驚人進展。 　　化學與生物結合，把研究延伸到複雜的生物系統。 　　每年十月諾貝爾獎頒布之後，都不免在媒體和學界引來話題，話題從獲獎人的國家和背景，學術經歷和奮鬥歷程，到得獎感言和頒獎花絮，諾貝爾獎誠然是全球科學界每年最大的盛事，因為它代表了科學成就的巔峰，也展現了科學發展的最新趨勢。 　　《諾貝爾化學獎2005-2015》集結科學月刊每年在諾貝爾化學獎得主公布時，邀請國內該領域的專家，針對該年各個得主的生平事蹟和得獎領域做深入分析，以深入淺出的文字和說明，讓讀者瞭解最前沿的科學研究現況。從學術發展的潮流到學術傳統的傳承，前瞻性地引導讀者思考科學的前景。 　　回顧21世紀以來的十六年間，生物化學領域是諾貝爾化學獎最熱門，佔了一半，其次是合成化學，也有三分之一以上，新儀器的研發有三次，新物質的發現一次，量子計算化學一次。這些得主的成就明顯揭示了近年物理、化學、生物的大融通（great consolidation）及跨領域（interdisciplinary）整合，本書不但為你剖析化學獎演進脈絡，也讓您深入瞭解一窺這些研究的究竟。 　　最後值得一提的是，這些撰稿的台灣科學家當中，有許多和得獎大師有師承關係，讓我們一窺得獎者或特立獨行的研究風格，或平易近人的為人處事一面，更神遊於他們治學的風範和精神，諾貝爾獎，得之不易，但有跡可循。

　　王文竹（淡江大學化學系教授）

序　言　諾貝爾獎的意義：人類知識的分享和傳遞 導　讀　憑理性探索自然，未來諾貝爾獎必更令人經驗 2005　Yves Chauvin, Robert H. Grubbs & Richard R. Schrock 　　　分子的舞動奇蹟 2006　Roger D. Kornberg 　　　基因密碼的抄寫者 2007　Gerhard Ertl 　　　探索物體表面的化學作用 2008　Osamu Shimomura, Martin Chalfie & Roger Y.Tsien 　　　水母綠光點亮生命彩頁──繽紛奪目的螢光蛋白 2009　Ada E. Yonath,Thomas A. Steitz & Venkatraman Ramakrishnan 　　　細胞的蛋白質工廠──轉譯生命現象的核糖體 2010　Richard F. Heck, Ei-ichi Negishi & Akira Suzuki 　　　拓展有機金屬觸媒應用──分子建築師 2011　Dan Shechtman 　　　結晶學的黃金傳奇──準晶的發現與研究進展 2012　Robert Lefkowitz & Brian Kobilka 　　　現代藥物標靶──G蛋白偶合受體之研究解析 2013　Martin Karplus, Michael Levitt & Arieh Warshel 　　　化學家的駭客任務──虛擬實境的化學實驗與研究創新之理論實踐 2014　Eric Betzig, Stefan Walter Hell & William Esco Moerner 　　　光學影像解析度大突破──顯微鏡變顯「奈」鏡了！ 2015　Tomas Lindahl, Aziz Sancar & Paul Modrich 　　　癌症與遺傳疾病新療法──有核酸修復，才能生生不息

2008年諾貝爾物理桂冠 水母綠光點亮生命彩頁—繽紛奪目的螢光蛋白 吳益群　台大分子與細胞生物學研究所教授 蔣沆祥　台大分子與細胞生物學研究所博士 2008年10月，在眾人翹首引領之下，瑞典皇家科學院宣布2008年諾貝爾化學獎由日裔美籍科學家下村脩（Osamu Shimomura）、美籍科學家馬丁．查爾菲（Martin Chalfie）和華裔美籍科學家錢永健（Roger Y. Tsien）三人共同獲得，以表揚他們研究綠色螢光蛋白（green fluorescent protein,GFP）的卓越成果。 GFP是一種螢光蛋白，在藍光或是紫外光的照射下，呈鮮綠色螢光，因此，科學家可利用GFP來觀察生物體甚至是細胞內的生物事件。例如，GFP可以用來觀察生物體內腫瘤的成長或是病原體的移動；GFP也可以用來偵測單一細胞內的胞器、染色體的變化，或是蛋白質的產生。換言之，當顯微鏡技術帶領人類遊覽細胞內的建築之美時，GFP可說是更忠實地呈現了內在的事件變化，讓我們更詳盡地了解生命現象的運作，或是疾病的產生機制。如此豐功偉業，讓GFP摘下諾貝爾化學獎的桂冠確是實至名歸。然而，到底GFP是如何達成這個神奇的任務，讓我們得以窺探生物體內的祕密活動？讓我們話說從頭。 綠色螢光蛋白的誕生 諾貝爾獎得主下村脩，從1960年開始跟隨約翰森（Frank H. Johnson）研究水母，初衷十分單純——想要了解為什麼水母會散發漂亮的光芒。為了收集大量水母做研究，他常去海邊撈拾水母，有時甚至動員妻小一起幫忙收集。後來他專注研究一種學名為Aequorea victoria的水母；這種水母在北美西海岸隨洋流漂移，身體呈美麗的藍色，受到刺激時，其傘緣的發光器官（photoorgan）則會發出綠色螢光。 在收集到許多A. victoria後，下村脩將水母的傘緣割下，置於濾紙上，壓榨萃取其汁液。經過約莫一年的嘗試與努力，他成功地從這些汁液中分離出水母發光蛋白（aequorin），這種分子在與鈣離子並存時會發出強烈的藍光，也就是A. victoria呈藍色的原因。同時，他也分離出另一種讓水母產生綠色螢光的物質——GFP，這便是GFP的第一次破「水」問世。 之後數年，下村脩進一步研究出GFP在分子立體結構上，有一個特殊的發色團，這個特殊的球狀結構由三個胺基酸組成，在吸收藍光或是紫外光後會被激發，而散發出明亮的綠色螢光。 這個發現大大顛覆了以往對發光蛋白的印象：大多數的發光蛋白都需要額外的輔助因子才能發光，如水母發光蛋白就需要有鈣離子的存在才能發出藍光。然而GFP只需要照射藍光或紫外光，就可以發出綠色螢光。也就是說，如果想利用GFP的螢光觀測細胞內的變化，只要給細胞正確的激發光源，它就會給予想要的資訊，不需額外加入其他分子，也不必擔心會影響細胞的正常生理。 當時下村脩並沒有意識到GFP的應用前景，對他來說，了解水母為何會發光而滿足他純粹的好奇心，就是一種莫大的幸福。但是正因為下村脩長期的熱情與執著，我們才有機會認識深藏在海洋生物體內的寶藏——GFP，使得後進有機會去應用這個神奇的綠色螢光蛋白。下村脩因此被譽為「生物發光研究第一人」。 綠色螢光蛋白嶄露頭角 在下村脩發現了GFP這個神奇的螢光蛋白後，馬丁．查爾菲首先將GFP應用在活體生物的觀測上。他的研究對象是線蟲Caenorhabditis elegans。C. elegans的成蟲僅有2公釐大，共有959個體細胞，但是「麻雀雖小，五臟俱全」，牠有許多在人類身上可以發現的細胞種類，有完整的組織及系統；更重要的是，線蟲與人類的基因體相似度高達40%，因此具有極高的研究價值。 線蟲的另一個研究優勢就是牠是透明的——我們可以直接在顯微鏡下清楚看到線蟲體內的所有細胞。馬丁．查爾菲在1977年師承Sydney Brenner（因開啟線蟲的研究領域，於2002年與John E. Sulston及Robert Horvitz共同獲頒諾貝爾生醫獎），開始線蟲神經系統的研究。最令他著迷的問題是線蟲對外界的觸覺反應：當我們用拔下的眼睫毛去輕碰線蟲的尾巴時，牠會快速地往前爬行；但若輕碰其頭部時，則會快速後退。 馬丁．查爾菲發現線蟲的觸覺主要來自6個觸感神經細胞的作用，雖然利用電子顯微鏡以及免疫螢光染色技術，已經可以清楚知道這6個神經細胞的位置與連結關係，但是這兩種顯微技術都必須犧牲線蟲，而且操作繁瑣，想要在活生生的線蟲體內直接觀察追蹤神經細胞，在當時根本就是天方夜譚。 在1988年美國哥倫比亞大學舉辦的學術演講中，馬丁．查爾菲知道了GFP，這讓他非常雀躍。