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    二○○一年生物化學與觸媒化學的重大發現

    二○○一年生物化學與觸媒化學的重大發現
    隋安莉 嘉南藥理科技大學醫務管理系
    洪永參 中正大學化學系



    美國化學學會所發行的《化學與化工新聞》周刊(Chemical and Engineering News, C&EN)選擇了由 2001 年 1 月到 11 月化學相關領域的重要成果做為一年來化學發展的里程碑,並刊登於該刊 2001 年 12 月 10 號的專文中。本刊以該文為本,加上適當註解和國內的讀者共享。本期,我們將談談生物化學與觸媒化學這兩個領域的重大發現。讀者可從該專文中查詢到本文中所提的各項重大發現之深度閱讀資料。

    生物化學方面

    2001 年在生物化學、生物技術與分子生物學上具關鍵性的發展包括:能幫助藥物進入細胞的分子載運體、具有非天然胺基酸的蛋白質、具無限親和力的抗體─配位體對、發現以往不知道的抗體新功能、耐鹽性植物的培育、一個重要藥物與酵素間的作用機制,以及在醣類化學與結構生物化學方面的一系列研究。

    幫助藥物進入細胞的分子載運體研究:細胞膜是由磷脂質分子所構成的雙層膜狀物,脂質部分是疏水性的,而含磷的部分因具極性,所以是親水性的。而細胞膜就有如三明治一般,面對細胞內與細胞外的部分是親水性,但細胞膜的中間則為疏水性。這種特性造成一般稍大的分子均不容易穿越細胞膜,無法自由進出。這樣雖形成一種物理性的屏障,但也造成一些藥物無法順利進入細胞內而發揮作用。

    藥物要在生物體中發揮功效,必須具有足夠的極性才能溶解在生物體液中,但也需具有一定的非極性以便穿越細胞膜。2000 年 12 月在夏威夷舉行的太平洋化學會議,史丹佛大學的化學教授在初步的研究報告中,宣稱發展出一種分子載運體,係由精胺酸或類精胺酸組成的寡聚合體。在常態時有些藥物無法或很難進入細胞中,但當它與此分子載運體結合後,便可迅速且有效地被細胞所吸收。該研究團隊將此技術應用於如環孢素A與紫杉醇等藥物上。現在科學家們可進一步採用此分子載運體,把原來不易進入細胞而被埋沒的一些候選藥物發掘出來,並進行臨床發展上的研究。

    上述的環孢素A是由瑞士山德士(Sandoz)藥廠自挪威一處高原土壤中之菌類所萃取出來的,1983 年 9 月由美國聯邦食品藥物管理局(FDA)核准上市,它能抑制人體免疫系統,防止器官移植引起的排斥現象,提高器官移植的成功率,這種菌素的發現是 20 世紀醫學的里程碑。而抗癌藥物紫杉醇是由北美洲的短葉紫杉樹皮內所萃取出來的,對治療卵巢癌及乳癌具優異功效,對肺癌與黑色素瘤亦有療效。

    具有非天然胺基酸的蛋白質研究:科學家們對非天然存在的胺基酸突變很有興趣,因為它們在設計新型蛋白質甚至新生命形式的研究上深具潛力。截至目前,在蛋白質中嵌入非天然胺基酸有兩種主要方法,第一種為停止密碼抑制法,即以化學方式合成轉運核糖核酸(tRNA),可攜帶非天然胺基酸,並且能辨認停止密碼。在蛋白質的生物合成(或稱轉譯)過程中,當此修飾過的 tRNA 遇到停止密碼時,即會將所攜帶之非天然胺基酸插入。第二種為營養缺陷型微生物法,由於此型微生物無法自行合成某種特定的胺基酸,故此法係將結構與此特定胺基酸相似的非天然胺基酸加入此微生物的培養基中,在該微生物的蛋白質中即可利用此種類似物而形成含非天然胺基酸的蛋白質。今年兩個不同的研究小組分別發展出一些改進的方法,可以創造出含有非天然胺基酸的蛋白質。

    前述的第一種方法是由美國研究小組所提出,而該種特殊的 tRNA 很難以化學方式合成,今年他們改用經基因修飾後的細菌來代為合成 tRNA,可以免除早先需以化學方法合成非天然胺基酸的 tRNA 的困難。

    前述的第二種方法是由美國與法國的研究人員所報告的,他們利用一種突變的酵素,誆使細菌將蛋白質中的一些天然纈胺酸單體以非天然的纈胺酸類似物取代之,目前雖然非天然胺基酸的取代率僅達 24%,但他們正朝向百分之百取代率的方向努力。此種方法可能製造出含新型多胜肽為基質的生物材料。

    具無限親和力的抗體─配位體對研究:鳥素與生物素之間具有高親和力的結合作用,此種具選擇性的結合屬於非共價鍵形式,它們的結合常數為 1014,科學家常利用此種特性來辨識或標定不同形式細胞上的分子。而加州大學戴維斯校區的研究人員及《生物結合化學》雜誌(Bioconjugate Chemistry)的主編將具有互補性的反應性官能基,以分子生物技術方式嵌入抗體與其對應的配位體之特定區域,發展出無限親和力的系統。該系統為一種新式的抗體─配位體,其間的結合屬於共價鍵形式,因此是不可逆的,且兩者之間的親和力為無限大。此新方法之應用範圍較鳥素─生物素的方法更為廣泛,並可能發展出新方法來發現做為特定細胞的影像或治療用途的標的作用物,與不同形式的指示性分子。

    發現抗體新功能:抗體的作用類似一種標籤,當它與致病原上的抗原結合後,可將致病原標示出來,使免疫系統更易於辨認進而加以摧毀。除了上述已知的功能外,一合作小組也發現,抗體亦能催化水與單重態氧的作用而形成過氧化氫。研究人員推測,抗體能藉此清除單重態氧而保護細胞不致受其毒害,抗體能產生高反應性的過氧化氫則代表它可藉此直接殺死致病原,抗體的這一項功能是先前所不為人知的。另外,一般空氣中的氧氣處於基態,屬於三重態,它的分子軌域中之未成對電子的自旋方向相同;而處於激發態的氧分子,屬於單重態,其未成對電子的自旋方向相反。

    耐鹽性植物的培育:一般說來,當植物暴露在高濃度的鹽分中會脫水而死亡。但是加州大學戴維斯校區與多倫多大學的研究人員創造出經過基因工程修飾後的番茄株,能以海水(200 mM)灌溉,並產出外觀健康又好吃的果實。因為研究人員利用基因工程技術讓這種植物製造高量的離子往返轉運蛋白質,此種蛋白質可將多餘的鹽分排除,因此它們並不介意鹽水。若將這些鹽分耐受性延伸至其他種類的作物上,將可為缺乏淡水或含高鹽分土壤國家的農業帶來生機。美國康乃狄克大學的研究團隊也利用基因工程的技術來促進芥草對鹽分與乾旱的耐受性,此種技術可使人類更有效地運用日益枯竭的水資源。

    重要藥物與酵素間作用機制的發現:抗癌的天然產物愛克田納西汀-743 是一種產自加勒比海海鞘的複雜化合物。在 1986 年首度由美國伊利諾大學奧本那香檳校區的化學教授純化出來。其化學結構在 1992 年確定,並於 1996 年由哈佛大學的化學教授完成其全合成。

    在研究了將近十年後,終於確認了愛克田納西汀-743 的作用機制,它會與細胞中的 DNA 受損─修復系統作用,進而開發出愛克田納西汀類似物,其臨床實驗已經進行到第二階段。初步的實驗數據顯示,此藥對於肉瘤(骨癌或結締組織癌)、乳癌、肺癌、與卵巢癌可能極具療效。美國國家癌症研究所的研究人員闡述此藥物一種史無前例的作用機制,發現它具有降低細胞中核酸剪裁─修復系統的能力。美國亞利桑納大學的研究人員也得到類似的發現。愛克田納西汀-743 會與 DNA 淺溝中富含鳥嘌呤的區域結合,因而中斷了核酸剪裁─修復系統的作用。該系統是負責將 DNA 在複製過程中所產生的錯誤予以切除並修正,對於細胞正常的複製非常重要。若此系統的能力降低,則有可能造成細胞無法進行正確的 DNA 複製,因而可以阻斷癌細胞的分裂。

    其他研究:美國的研究人員利用高解析的X光單晶繞射儀、定點導向突變、核磁共振光譜、與動力學研究等技術,首先揭示了醛醇縮酶是如何經由形成席夫鹼而進行醛醇縮合反應的完整機構。此外,該團隊利用蛋白質工程所獲得經修飾過的醛醇縮酶,做為新奇化合物的合成應用。

    研究顯示,在醛醇縮酶的活化中心,水分子是如何調控抓取席夫鹼上的甲基質子,而形成烯胺中間物,以及顯示質子任意混合過程是如何促進反應的進行。

    在新疫苗的研發過程中,所需要的各種動物試驗與臨床試驗是相當繁瑣複雜的。一般疫苗都將一種抗原連接於一連接分子上,該連接分子的安全性需通過測試;當使用多種單一抗原疫苗時,其各個不同抗原的連接分子,亦得一一測試。若能開發出一種疫苗,使用單一連接分子接上多種抗原,則不但可減少接種次數,更能縮短繁複的測試工作。

    一項由美國研究人員所進行有關醣類的研究中,發展出一種先進的合成方法,可在同一分子上連結多種醣類抗原,即以醣類為基質的抗原區域連結至胺基酸上,再利用胺基酸耦合反應形成一種結合性疫苗。此項工作能得知免疫系統是如何辨識出多抗原並產生反應,亦可獲致新式抗病原物與抗癌疫苗。此次所採用的醣類抗原不僅出現在多種癌細胞的表面,且至今尚未分離出來,因此採用化學合成是唯一可提供其來源的實際方法。2000 年,他們合成了第一個具有多種醣類抗原的單一連接分子,而今年則正朝向含有五或六種抗原的單一連接分子努力。

    有些天然物,包括抗生素及抗癌藥物,是由配醣體與天然醣類結合而成,研究者將非天然醣類與配醣體結合,以便研究其有用的新性質。目前利用有機全合成與組合式生物合成這兩種技術可達到此目的,但是均有其局限性。美國的學者發展出一種叫做「醣類隨機化」(glycorandomization)的技術,使得製造這種含非天然醣類的天然物變得更快且更方便。即以蛋白質工程技術,將醣類活化酵素改良,使之由僅能活化天然醣類,改變為能活化非天然醣類,以便接到有機分子上。初步的結果顯示,它們利用來自細菌生合成途徑的兩種改良過的酵素,已可合成出接有非天然醣類的天然物分子資料庫 。

    多醣類一向被認為扮演著重要的生物角色。它不但構成了生物結構的一部分,如植物的纖維素、動物的黏液、細胞基質等,也是一般醣蛋白質,尤其是膜蛋白質的結合物,可以做為抗原。此外,多醣類也與腫瘤的散布、學習與記憶,以及其他的細胞過程息息相關。每種多醣類都是經由多種酵素代謝合成而來,但是,它們詳細的功能卻不易研究。因為很難藉著調控處理多醣類酵素群的表現來關閉多醣類的製造,卻不會同時影響這些酵素所調控的其他生物步驟。美國加州大學柏克萊校區的研究人員藉著提供替代的化學方法,將一多醣類的代謝途徑予以中斷,解決了這項難題。研究者可利用一多醣類代謝途徑中的一個受質的類似物,來干擾此多醣類的生物合成。此項研究讓我們對多醣類的功能、新型抗癌製劑、與多醣類之生物合成的新型代謝抑制劑獲致更多的了解。

    綠色植物在地球上扮演著生產者的角色,它們藉著葉綠體進行光合作用,可以把陽光的能量轉為生長所需的葡萄糖,維繫著地球上的生命。葉綠體中的光合作用系統是一種極複雜又龐大的分子,其結構一直是結構生物化學家的極大挑戰。

    在歷經十年以上的努力後,德國一個包括生物化學家、物理學家與晶體學家的研究小組確定了光合作用系統(一)的高解析度晶格的三維結構,它是進行光合作用時,發生最初數個步驟所在的兩種蛋白質複合體中的一種。截至目前為止,如此大且附著在胞膜上的錯合物之結構被確認過的並不多。這個含三單元體的光合系統中,每個單元體包含了12種蛋白質次單元,並附帶著 96 個葉綠體和超過 30 個其他的輔因子。其構造相當奇特,例如,在葉綠體分子的中心具有一鎂離子,它是光合系統中最先接受電子的,此鎂離子並與鄰近的甲硫胺酸中的硫形成配位,這是非常少見的。這種特殊的葉綠體在自然界中是最強的還原劑,何以如此,無人知曉,很可能跟此含硫的配位基有關。它的結構可幫助研究人員了解這複合體是如何收集太陽能,在內部將其傳送,然後利用電子傳遞反應轉變成幾乎推動著地球上所有生命的化學能。

    靜電間的作用在許多細胞的運作上扮演著相當重要的角色,例如在神經元中神經衝動的傳導。因此,若能提供大型分子的電荷密度分布圖,將對了解許多生物性分子的結構穩定度、運動、結合作用、機制提供極有價值的信息。一般傳統電荷密度分佈圖的計算過程相當費時,分子愈大所需的時間就愈多。在一項結構研究中,一個合作團隊發展出一種電腦計算技術,能建立生物分子結構中的電荷密度分布模式,此分子結構要比任何以往可完成的都還要大。一般靜電模型僅適用於含有五萬個原子以內的構造,但是新的「平行式聚焦」法(parallel focusing)可用於比對巨分子、超分子複合體與具有超過一百萬個原子以上的細胞胞器中的電荷密度分布。簡單地說,平行式聚焦的概念就是將要解算的問題分成數個較小的部分,每個部分可用平行式處理,也就是同時使用多個電腦處理器來運算。因此,在一個多處理器超級電腦的運算下,可將運算速度提高350 倍。

    在生物體的蛋白質中約有三分之一含金屬蛋白質,其中許多金屬蛋白質的主要催化中心含有金屬鋅。由於含鋅離子之蛋白質不吸收紫外光─可見光,又因它無不成對的電子,也無法利用電子順磁共振光譜研究,它對核磁共振儀的靈敏度又很低,因此不易用核磁共振技術進行研究。但是對於可以生成結晶的金屬蛋白質而言,是可以用X光單晶繞射儀來研究它的結構,不過可獲得結晶的金屬蛋白質卻不多。所以到目前為止,我們仍無法知道在生物系統中,這種重要、具催化功能的金屬到底發生了甚麼反應。以前研究金屬鋅蛋白質時,一般都需要利用替代性探針策略,就是用鈷或鎘取代鋅,因為它們較為容易以光譜學來研究,卻不見得能正確無誤地代表鋅的特性。美國研究人員研發出一種便於觀察金屬蛋白質的含鋅中心的核磁共振技術,將一金屬蛋白質冷卻至近乎絕對零度(接近攝氏零下 273 度),如此可增強其對核磁共振的靈敏度,然後利用一種新型探針藉自旋─回聲步驟直接來分析位於鋅位置上的構造與其鍵結。此技術不但可用來探討含鋅的金屬蛋白質,對於含銅與含鐵的金屬蛋白質亦可適用。

    觸媒化學方面

    化學反應是否容易進行,是由其需越過的活化能高低來決定。而觸媒的功能就是可以降低反應的活化能,進而促使反應更容易進行,這是一般傳統上對觸媒的要求。今天我們對它的要求更高,希望能發展出更具有選擇性的觸媒,成就更具專一性的反應;或是能夠不需在溶劑中即可催化的反應;甚至於不但可以加速化學反應,進而可將原先對環境或人體有毒害的副產物轉化成無害的物質,對地球的環保有所助益。發展新型觸媒與催化技術一直是化學研究的重點。2001 年的重要發展包括:以微陣列為基礎的鏡像選擇性之測量、一種以空氣將有機化合物氧化的可溶性觸媒、能產生水為其副產物的「環保」觸媒。2001 年諾貝爾化學獎也與開發不對稱合成觸媒有關。

    鏡像選擇性的微陣列方法:過去以高效篩選方式來發掘分子庫中具有鏡像選擇性潛力的觸媒,一直受限於缺乏快速且方便的鏡像選擇性鑑定技術。哈佛大學研究人員發明了一種能夠快速測量觸媒之鏡像選擇性的微陣列方法,可同時決定出幾千個化合物的鏡像選擇性。其即將手性官能基先分別以接觸式的印表機點在玻片上,再以共價鍵方式把待測的鏡像異構物附著於該手性官能基上。然後在每一點加入可和待測鏡像異構物反應之手性螢光探針試劑。其中,綠色的螢光探針試劑是用來偵測一種鏡像異構物,而紅色之螢光探針試劑則用來偵測另一種鏡像異構物。這兩種探針試劑與待測之鏡像異構物的反應速率不同,該過程稱為動力拆解。最後以雷射掃描器來測量玻片上各點之螢光,從各點上所得的螢光值可推算出該鏡像異構物之鏡像超值,而由紅色與綠色螢光之光點比率可決定出該產物之絕對組態。這裡所稱的鏡像超值,是兩個鏡像異構物之間的百分比差。而絕對組態是用來表示手性中心四面體結構的真正立體位向。

    以空氣將有機化合物氧化的可溶性觸媒:美國愛默立大學教授發現一種可溶性的觸媒,是一種三價的金錯合物,結構中含有兩個氯及一個硝酸根配位基,可在室溫下利用空氣中的氧來氧化硫醚形成亞。傳統的可溶性觸媒需在較高溫時方具活性,而此新觸媒僅需在室溫下即可作用,且其反應速率要比傳統的可溶性觸媒快上數十倍。它可摻入化妝品、塗敷物或紡織品中,做為觸媒來氧化空氣中的污染物。亦可摻入士兵所用的皮膚乳膏中,將造成皮膚起泡潰爛的芥子氣(一種硫醚化合物(ClCH2CH2)2S)氧化而達到解毒的功效。

    造紙工業將木材中的木質素去除以形成紙漿的過程中所產生的廢水,往往含有毒的多氯芳香化合物,因此,發展更環保的方法是當務之急。美國農業部森林產品實驗室與愛默立大學的研究人員發現一種較環保且穩定的觸媒,可望應用到紙漿的製程上。該製程所採用的觸媒在水中是穩定的,是由五個多氧金屬化物離子所組成,可利用水中的氧選擇性地氧化有機受質。此系統可望用於發展造紙業中將木材去木質化的最初步驟且不產生廢液。

    以水為其副產物的「環保」觸媒:有兩個研究小組分別在氧化有機化合物的鐵觸媒上有所進展,這些鐵觸媒具環保性與較低毒性,且用過氧化氫做為氧化劑。其中一個小組是哈佛大學教授所發展出的一種新觸媒,可將烯類轉成內消旋性的環氧化物並具高轉換率,其特點是他們所採用的鐵觸媒不太會造成過氧化氫的分解,這是過去使用鐵觸媒時的潛在問題。美國明尼蘇達大學的研究小組則發明一種可將烯類進行雙羥化的鏡像選擇性觸媒。以反式辛二烯為例,該觸媒會促進 2,3−辛二醇的生成,其產率為 38%,其鏡像超值為 82%(表示生成兩種鏡像異構物,其比率為 91 比 9)。這樣的結果,對鐵觸媒而言已經是相當驚人,何況仍有許多改善空間。這兩研究小組的觸媒,均由乙二胺衍生出的配位基配位到鐵離子製備而成。其特點是配位基不貴又容易製造,以過氧化氫做為氧化劑,其副產品為對環境無害的水。

    所謂拜爾─偉利格(Baeyer-Villiger)反應是將酮氧化成酯或內酯的反應,一般而言均用過氧羧酸做為氧化劑,因此除產物外,反應也會產生等量的羧酸副產物。若能開發出以過氧化氫為氧化劑的拜爾─偉利格反應,其副產品為對環境無害的水,將會是有經濟價值且符合環保的製程。西班牙維藍西亞高分子科技大學研究人員發展出一種能加速拜爾─偉利格反應且對環境無害的觸媒,可廣泛地用在將酮類氧化成內酯或酯的工業上,形成內酯的反應亦具有超高的位置選擇性。他們所發明的沸石─錫觸媒是利用過氧化氫做為氧化劑,因而僅會產生對環境無害的水為其副產品。

    開發不對稱合成觸媒:不對稱合成的研究是要開發出如何才能得到高光學純度或單一鏡像異構物的技術。2001 年的諾貝爾化學獎,頒給在不對稱合成領域中,開發手性觸媒的三個學者,分別是美國蒙山托公司退休研究員諾爾斯(William S. Knowles)與日本名古屋大學的化學教授野依良治(Ryoji Noyori),他們兩人由於研究不對稱氫化的催化反應之重要貢獻而合得一半獎金。另外,美國斯奎布斯研究所化學教授夏普列斯(K. Barry Sharpless) 則在研究不對稱氧化的催化反應上具有卓著的貢獻而得到另外一半的獎金(約 47 萬 5,000 美元)。

    瑞典皇家科學院宣稱他們三位都發現了在製造單一鏡像異構物的手性觸媒而共享此項大獎。此項發現對學術研究、新型藥物與材料的發展上已帶來新的衝擊,並可應用在藥物與其他具生物活性化合物的工業合成上。有趣的是,野依良治、夏普列斯與法國南巴黎大學的卡港(Henri B. Kagan)三人在 2001 年共同得到以色列的伍爾夫獎,該獎項2001年亦表揚在不對稱合成化學領域有傑出貢獻者。野依良治與夏普列斯同時得到這兩項國際大獎,但諾爾斯與卡港則僅各得其中一個獎項。


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