2025年6月2日 星期一

2025年度邵逸夫生命科學與醫學獎

由沃爾夫岡・鮑邁斯特 (Wolfgang Baumeister)獲得,以表彰他對於冷凍電子斷層成像技術 (cryo-ET)的開創性研發和應用,該三維可視化成像技術使蛋白質、大分子複合物和細胞間隙等生物樣本在自然細胞環境中的存在狀態得以呈現。沃爾夫岡・鮑邁斯特是德國馬克斯普朗克生物化學研究所榮休所長暨科學會員。

鮑邁斯特對蛋白酶體原位結構的研究,為細胞內蛋白質轉換更新的調控機制、空間分佈及動態過程提供了全新認知。他的結構研究還揭示了蛋白酶體功能失調如何導致人類疾病的機理。冷凍電子斷層成像技術在病毒學領域也產生了深遠影響。

鮑邁斯特和其他科學家的研究使人們對病毒如何與宿主細胞膜相互作用有了全新理解,這些相互作用驅動了病毒外殼蛋白的必要結構重組,以便病毒基因組附著於細胞表面並進一步進入受感染細胞。這些研究為指導中和抗體和疫苗的開發提供了關鍵指引。

遴選委員會指,鮑邁斯特所開發並應用的方法,能以前所未有的接近原子級的分辨率揭示細胞內部的運作機制。這項技術的強大威力正在全面革新人們對正常生命過程以及它們在疾病中如何失序的認知。

原文網址: https://www.hk01.com/article/60242225



2025年5月21日 星期三

AI 蛋白質設計革命:2024 諾貝爾化學獎背後的醫學奇蹟

 2024 年諾貝爾化學獎,因為 AI 在蛋白質結構預測上的突破而備受矚目。Google DeepMind 的創辦人之一哈薩比斯(Demis Hassabis)與他的團隊,因開發出能預測蛋白質摺疊的 AlphaFold 系列獲得一半獎金。而另一半獎金則頒給了化學家大衛·貝克(David Baker),他開發出另一套令人驚嘆的工具,甚至突破了 AlphaFold 的極限。這些成就不僅為科學界帶來革命性的改變,更可能大幅加速藥物開發與疾病治療的進程。

蛋白質摺疊:生命的拼圖

蛋白質作為生命的基石,其結構對其功能至關重要。當蛋白質在細胞內生成時,它由多個胺基酸分子組成的長鏈,會在極短的時間內像折紙般扭曲成特定的三維形狀。這種形狀決定了蛋白質的功能,比如構成細胞的結構、催化化學反應或傳遞訊息。

然而,預測這些複雜的三維結構曾經是生物化學界的一大挑戰。科學家們雖然能夠測量蛋白質序列(即胺基酸的排列順序),但如何從一維的序列準確推測其三維構造,卻是一個需要龐大運算能力和深刻科學理解的難題。

這個挑戰直到 2021 年 AlphaFold 2 的問世才有了質的突破。這套工具運用深度學習技術,能快速準確地預測蛋白質的摺疊方式,其精度已接近實驗室測試的水平。而今年推出的 AlphaFold 3,更進一步預測生物分子如 DNA 和 RNA 與蛋白質的交互作用,為藥物設計提供了重要基礎。

不止於 AlphaFold:貝克的逆向設計

與 AlphaFold 側重於「順向」預測不同,大衛.貝克帶領的團隊採取了全然相反的路徑。他們開發的工具能夠進行「逆向」工程:不僅能根據已知序列推測結構,還能從需求出發,設計出具有特定功能的蛋白質。這種技術突破意味著,我們可以隨心所欲地設計出抗癌抗體、病毒疫苗,甚至是工業用的環保酵素。

這就像一位技藝超群的主廚,能根據客人的描述,精準還原一道複雜的菜餚,甚至能重新設計出更美味、更符合需求的版本。而貝克團隊的這套技術,則讓這樣的「創造」成為科學事實。

設計蛋白質的技術演進

早在 1997 年,貝克的團隊就已經開發出 Rosetta,這是一款能模擬蛋白質摺疊的電腦工具。當時,他們利用能量假設,評估一個三維結構的穩定性。然而,由於電腦運算能力的限制,他們不得不採取取巧的方法,例如利用多序列比對(MSA)與蒙地卡羅模擬法來提升效率。這些技術雖然簡單,但在當時已經能顯著縮短運算時間。

隨著深度學習的興起,貝克團隊在 2021 年推出 RoseTTAFold,這套工具採用了三軌神經網路,讓 AI 能從多序列比對、分子距離與原子位置三方面同時學習,進一步提升預測的準確性。而今年最新的 RFdiffusion,更將擴散模型融入其中,讓 AI 不僅能預測,還能根據輸入的需求直接設計蛋白質結構。

擴散模型的應用就像圖像生成工具 DALL-E 或 Midjourney,能在短時間內生成大量的可能構造,再經過篩選,留下最可能實現的設計。這讓蛋白質設計變得前所未有的靈活和高效。

AI 與疾病的正面交鋒

RFdiffusion 的問世,為生物醫學界帶來了全新的可能性。例如,研究人員已用它設計出數千個抗體,針對癌症、新冠病毒、流感等多種疾病進行測試。雖然目前成功率僅為 1%,但這已經是一個令人振奮的起點。

更重要的是,這些設計並非停留在理論層面。早在 2003 年,貝克團隊就曾成功創造出自然界不存在的蛋白質 Top7,而在 2008 年,他們更進一步設計出能催化化學反應的人造酵素。這些突破證明,人類不僅能理解生命的基本組成,更能重新定義它。

從賽場到實驗室:設計蛋白質的熱潮

除了 AlphaFold 和 RFdiffusion,近年來還出現了多場蛋白質設計競賽,例如 Align to Innovate 的酵素設計挑戰、加拿大生技公司 Liberum Bio 的病毒酶改良項目,以及 BioML Society 的 CAR-T 細胞抗原設計比賽。這些比賽吸引了來自學術界與產業界的頂尖人才,激發了無數創新應用的靈感。

隨著技術的進步,AI 工具已經不再僅僅是輔助,而是成為創造新型蛋白質的核心力量。從抗體設計到工業酵素,從疫苗開發到癌症治療,AI 正在以前所未有的速度推動著科學的邊界。

未來展望:AI 是否能掌控生命密碼?

2024 年的諾貝爾化學獎不僅表彰了科學家的創新,更為人類未來與 AI 攜手揭開生命秘密描繪了一幅清晰的藍圖。隨著技術的不斷進步,我們正在從被動了解大自然的蛋白質結構,轉向主動創造適應需求的新型蛋白質。

這場革命不僅改變了醫學的面貌,也讓我們對生命本質有了更深層次的理解。未來的某一天,AI 也許真的能成為人類對抗疾病的終極武器,甚至實現哈薩比斯預言的「治癒大部分疾病」。


https://pansci.asia/archives/378388

2025年3月11日 星期二

裘槎科學周2025

裘槎科學周為香港年度科學教育盛事,讓年輕一代體驗生活中的科學。

透過多元化的免費雙語活動及工作坊,鼓勵參加者主動探索及思考科學與生活的關係。

自2018年以來,已有超過320,000 名學生、家長及教師參與其中。為支援學校教育,計劃特設多項校園活動,包括科學劇場巡迴演出、網上工作坊及教學資源,協助教師推動科學教育。

裘槎科學周由裘槎基金會資助,並由裘槎基金會、教育局及香港科學館聯合主辦。裘槎基金會是獨立私人基金會,致力提高本港的自然科學、科技和醫學水平。

今年裘槎科學周活動將圍繞日常生活中的科學,讓參加者更充分了解及學習科學知識與日常生活之間的關聯。所有活動均免費參與。詳情及活動報名請往裘槎科學周網頁。

裘槎科學周網頁:https://croucherscienceweek.hk/hk

2024年10月10日 星期四

The Nobel Prize in Chemistry 2024

 The Nobel Prize in Chemistry 2024 was awarded with one half to David Baker “for computational protein design” and the other half jointly to Demis Hassabis and John M. Jumper “for protein structure prediction”.


Demis Hassabis and John Jumper have successfully utilised artificial intelligence to predict the structure of almost all known proteins. David Baker has learned how to master life’s building blocks and create entirely new proteins.

2024年9月2日 星期一

57th 聯校科展

 今年主題是「延續」,我校同學有份入圍👏 編號PH10

製成品名稱為「POLY-TRICLE

製成品的名稱「POLY-TRICLE」是由三個詞語所合成的。分別是發泡膠(Polystyrene )3D印刷技術(3D printing technology ),以及改造 upcycle)

在這個展覽當中,發泡膠將會被溶解從而被改造成3D印刷物料。

四位成員來自4D班,分別係隊長黃柏澄、隊員鄭子羽 、施柏朗及林煒良 😊 








2024年4月11日 星期四

「咖啡因」助力燃料電池,鉑金成本大幅下降

 2024年3月14日 – 日本科學家的最新研究發現,向燃料電池中加入咖啡因,不僅能提高其效率,還能大幅減少昂貴的鉑金使用,從而降低生產成本。這一發現對於從電動車到數據中心等多種應用領域的替代能源存儲技術來說,無疑是一大突破。

這項研究成果發表於《通訊化學》期刊,涉及燃料電池陰極的催化過程及其效率提升方法。燃料電池類似於電池,通過將燃料(或電解質)和氧化劑的化學能轉換成電能來產生動力。與有限壽命的電池不同,只要持續供應燃料,燃料電池就能持續產生電力。

研究指出,水作為燃料電池的副產物會影響其性能,與鉑金反應形成的鉑金氫氧化物(PtOH)會干擾氧氣還原反應(oxygen reduction reaction,ORR)的催化。為維持高效運作,燃料電池需要較高的鉑金含量,這大大提高了成本。但研究人員發現,加入咖啡因可以將鉑金電極的ORR活性提高11倍,從而提高反應效率。

這項研究的背後思路是,使用具有疏水性的材料來修改電極是提高ORR效率的有效方法。咖啡因相比其他疏水物質更為無害,且可以激活鉑金奈米粒子和咖啡因摻雜碳的氫發展和氧化反應。

咖啡因濃度增加 氧氣還原反應提高



咖啡因在精確制定的鉑單晶電極上吸附的結構,以及燃料電池空氣電極在經過咖啡因改性前後(分別以藍色和橙色柱狀表示)的活性情況。(圖片來源:Professor Nagahiro Hoshi from Chiba University)

千葉大學工程研究生院的團隊在應用化學和生物技術部門教授長宏教授的帶領下進行了這項研究。長宏教授解釋說,他們發現隨著電解質中咖啡因濃度的增加,電極的ORR活性顯著提高。

這種方法形成的薄層有效地阻止了PtOH的形成,但這種效果取決於鉑金原子在電極表面的取向。研究指出,Pt(110)和Pt(111)顯示出增加的ORR活性,而Pt(100)則沒有明顯效果。此發現也有望改善燃料電池的設計,促進其更廣泛的應用。燃料電池已經在多個領域得到應用,特別是在數據中心作為替代柴油發電機的後備電源,甚至成為主要電源。

去年(2023),一項報告指出,韓國SK Ecoplant計劃在愛爾蘭建造一個完全由燃料電池技術供電的數據中心。此外,日本也計劃在本月底開始測試使用來自電動車的燃料電池為數據中心供電的可行性。

新加坡國立大學去年發布的報告聲稱,作為提供數據中心後備電力的方法,燃料電池已經比其他技術更有效率。這項新發現不僅打開了燃料電池創新的新大門,也為能源存儲技術的未來帶來了新的希望。

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首圖來源:Dark Energy Survey cc By4.0

圖片來源:Communications Chemistry  cc By4.0

參考論文:

1.Enhanced oxygen reduction reaction on caffeine-modified platinum single-crystal electrodesCommunications Chemistry