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熱浪無礙自然涼

劉振宇以嶄新成像技術管窺植物耐熱的祕密

熱浪無礙自然涼
劉振宇以嶄新成像技術管窺植物耐熱的祕密

精準了解植物的分子結構,能幫助我們研發出耐熱的農作物,在日漸暖化的世界維持糧食供應不輟。中大結構生物學家劉振宇使用嶄新的單粒子冷凍電子顯微鏡,簡稱冷凍電鏡,觀察生物分子的結構。生物分子即生物體內的分子,如膽固醇和DNA等,功能由其大小和形狀決定。有趣的是,分子要繞成三維結構才可發揮功效,故要理解分子功能,就要審視這立體結構。

劉振宇研究的,是名為「Hsp21」的熱休克蛋白的形狀和功能,相關論文於5月在《自然通訊》刊登。所有進行光合作用的植物都有熱休克蛋白,溫度上升時,它會發揮效用,幫助植物抵禦高溫,是草木耐熱的關鍵。

細小的熱休克蛋白可看成是分子的保姆,指導分子一舉一動。它們有的驅使蛋白摺疊,變成立體,發揮獨特功能。教授發現Hsp21能使蛋白在高溫下保持穩定,避免錯誤摺疊。

以日常吃的蛋為例,蛋白在加熱下由透明變為白色時,蛋白質就會逐層展開,呈現不同結構。高溫下的蛋白質不再是立體,功能亦會消失。失去立體形狀的蛋白,無法與其他分子互動,產生作用。

劉振宇在試管中提取並分離出Hsp21,以研究其結構和功能。他以生物研究廣為採用的雜草阿拉伯芥(學名Arabidopsis thaliana)為研究對象,發現Hsp21調節一種名為DXPS的植物基質,防止其鋪展。

「說實話,這是意外發現。」他坦承。「起初我們沒預計找到任何東西。我們不知道會找到甚麼。」

DXPS對植物生長發育至關重要。在高溫下,Hsp21與DXPS結合,保持後者的形狀和功能。他總結其他小熱休克蛋白很可能以類似方式發揮作用。

劉振宇曾在故紙中發現端倪。以往關於Hsp21的論文表明它幫助植物抵抗高溫,但技術所限,前人得出的圖像解像度低,極為籠統。

教授不諱言,這是首次有人看到這種蛋白的結構。他初頭研究Hsp21時,不知道它如何跟DXPS互動,唯有了解每個分子的結構,才一一撥雲見日。最終,他的團隊解開了三個分子的結構:Hsp21、DXPS和它們結合時的形態。

他解釋:「我們發現,它們在DXPS一個非常有彈性的區域互動,那裏只有在升溫時才會外露。在較低溫度下,Hsp21無法識別這種酶,只有在高溫下它才會發現那個地方。」

冷凍電鏡的發明者在2017年獲得諾貝爾化學獎,但儀器的應用仍是生物學界的處女地。

「我涉足這領域時,技術尚未成熟,」劉振宇回憶:「但我決定嘗試新事物。」

過程中,他親炙諾貝爾獎得主理查•韓德森,得聆教益,韓氏與他更有獨特因緣——他是其博士論文老師的師傅。

冷凍電鏡採用「直接電子檢測器」為鏡頭,可以拍攝單一電子。這是技術上的重大進步,數碼化來臨以前,研究員甚至只能用柯達菲林。

「這方法好過時。」教授說。「我們製作的圖像清晰得多,是一大突破。」

另一方面,電腦技術的進步令演算法可以處理所有檢測訊息,精度不輸X射線晶體學,解像度細微至原子水平。

以X光研究分子結構,蛋白必先提純和結晶,要將多個分子綁在一起,體積夠大,才可進行檢查。但人為將分子綁在一起,有可能改變結構。冷凍電鏡可以檢視單一分子近乎原始的狀態,精細至原子。

研發耐熱農作物要靠植物學家和基因工程師的聰明才智。這位生命科學學院助理教授,未來會研究其他小型熱休克蛋白如何發揮作用。

「肯定還有其他分子幫助植物抵禦熱浪,」他說:「Hsp-21只是當中一種。」

人類身上也有小熱休克蛋白。如果它們突變,不能正常運作,或會導致癌症和神經退化疾病,如阿茲海默症和柏金遜症。這是另一個值得探究的題目。

「研究發現或許能用在人類身上。」劉振宇說。「一切仍未知。」

中譯/jennylau@cuhkcontents & amyli@cuhkcontents
攝影/Eric Sin
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劉振宇 成像技術 小熱休克蛋白 冷凍電鏡 生命科學學院