【2024諾貝爾化學獎】

他們透過計算和人工智慧揭示了蛋白質的秘密

 

合譯  於2024年十月九日

 

化學家長期以來一直夢想著完全理解和掌握生命的化學工具 — 蛋白質，這個夢想現在已經觸手可及。 哈薩比斯 ( Demis Hassabis)和 強普 ( John M. Jumper) 已成功利用人工智慧來預測幾乎所有已知蛋白質的結構。 貝克 ( David Baker) 學會如何掌握生命的建構組元，並創造全新的蛋白質。他們的發現，潛力巨大。

Chloride- and Hydrosulfide-Bound 2Fe Complexes as Models of the Oxygen-Stable State of [FeFe] Hydrogenase 

Yu-Chiao Liu, Kai-Ti Chu, Hong-Ru Wang, Gene-Hsiang Lee, Mei-Chun Tseng,

Cheng-Hsin Wang, Yih-Chern Horng, Ming-Hsi Chiang

Angew. Chem. Int. Ed. 2024, 63, e202408142

中央研究院 化學研究所 江明錫研究員

國立彰化師範大學 化學系 洪義盛教授

雖然鐵鐵氫化酶對產氫和氫氧化反應有相當卓越的催化效率，這些酶對氧的耐受性不高，阻礙了將它們部署在氫氣生產裝置和燃料電池中的實際應用。最近研究發現，鐵鐵氫化酶活化中心具有一個少見的氧穩定態（H_inact），具有抗氧降解的能力。我們的研究中，[2Fe-2S]化合物鍵結末端Cl（t-Cl）或SH（t-SH）配位基，其結構與 DdHydAB 和 CbA5H 的 H_inact 態極為相似。在抗氧化上，曝露純氧下，超過3個月不會分解。這些化合物顯著的抗氧誘導分解能力，支持了 H_inact 態的抗氧性質。t-Cl/t-SH表現出可逆氧化，兩種氧化還原態是 H_trans 和 H_inact 態的第一個仿生類似物。Cl-/SH-配位基的快速還原釋放顯示其不穩定且動力學控制的結合，也解釋活化中心如何轉換 H_inact 態，再生催化態 H_ox 的可能機制。這些研究結果為了解酶氧穩定狀態的特性以及控制失活和再活化轉化的關鍵因素提供了寶貴的見解。這項工作有助於推動仿生分子催化劑研究的進步以及將酵素和人工催化劑整合到產氫裝置和燃料電池應用中。

A Few Charged Residues in Galectin-3′s Folded and Disordered Regions Regulate Phase Separation

Yung-Chen Sun, Tsung-Lun Hsieh, Chia-I Lin, Wan-Yu Shao, Yu-Hao Lin, Jie-rong Huang 

Adv. Sci. 2024, 2402570 

國立陽明交通大學 生化暨分子生物研究所 黃介嶸教授

人體中有一半以上的蛋白質帶有沒有結構的區段。雖然沒有結構，它們還是能夠以千奇百怪的方式來執行各種生物功能。其中一個有趣的功能就是這些區段可以進行可調控且可逆的聚集，這樣一來，蛋白質就能夠在細胞中找到適當的位置，讓那些有結構的部分來做它們該做的事，例如催化反應或結合核酸等。不過，有結構和無結構的區域並不是各自為政，它們也會相互合作。以galectin-3這個例子來說，只要少少幾個位於有結構區域中的帶正電胺基酸，或是無結構區段中的帶負電胺基酸，就可以巧妙地調控這個蛋白質的聚集行為。此外，這個蛋白質的無結構區域中，僅有的兩個帶電胺基酸(負電)還能夠當作pH感應器，根據細胞內不同的pH微環境，來調整自我聚集的程度。了解這些小細節可以幫助我們利用這些機制找到調控galectin-3的方法。例如，這個蛋白質的聚集可能會導致microglia無法清除致病的類澱粉纖維，這也是導致神經退化疾病的原因之一。掌握這些知識，我們就有可能更深入地探討治療這些疾病的新方法。 

Functionalized Thienopyrazines on NiOx Film as Self-Assembled Monolayer for Efficient Tin-Perovskite Solar Cells Using a Two-Step Method  

Chun-Hsiao Kuan, Shakil N. Afraj, Yu-Ling Huang, Arulmozhi Velusamy, Cheng-Liang Liu, Ting-Yu Su, Xianyuan Jiang, Jhih-Min Lin, Ming-Chou Chen, Eric Wei-Guang Diau 

Angew. Chem. Int. Ed. 2024, 63, e202407228

國立中央大學 化學系 陳銘洲教授

國立陽明交通大學 應用化學系 刁維光講座教授

本論文闡述一系列新穎有機自組裝( Self-Assembled Monolayer; SAM)分子之開發，結合 NiOx作為電洞傳輸層材料，應用於錫-鈣鈦礦太陽能電池(Sn-based Perovskite Solar cells; Sn-PSC)，元件之光電轉換效率(PCE)高達7.7%，為世界上自組裝有機分子應用於錫-鈣鈦礦太陽能電池具有代表性之著作。 

 

本研究團隊由中央大學化學所陳銘洲研究團隊(M.-C. Chen)與陽明交通大學刁維光研究團隊(E.W.-G. Diau)共同組成，陳銘洲老師實驗室專精於有機光電材料的開發與分子改良，刁維光老師研究團隊則專精於元件製備、優化、分析等研究，雙方之專長領域能相輔相成。在本研究中刁維光老師研究團隊利用該團隊自行開發之兩步法成功製備錫鈣鈦礦太陽能電池元件，驗證新自組裝有機SAM分子結合NiOx能成功取代傳統常用之電洞傳輸層PEDOT:PSS，太陽能電池元件效能除高達7.7%之外，且元件具長期效能穩定性。鈣鈦礦太陽能電池研究領域中常用PEDOT:PSS作為電洞傳輸層，然其較易吸水，導致元件效能之長期穩定性差；其他團隊所使用的一步法製程也無法應用到錫鈣鈦礦的自組裝元件。本團隊所開發之有機自組裝層元件長期穩定性相當優良，於4000h後仍維持80%之效能。透過雙方之密切合作，本聯合研發團隊成功的分析/建立材料化學結構、物理性質、與元件效能間之關聯性。此研究成果能引領全球錫(or鉛)鈣鈦礦太陽能電池之研發，為此類太陽能電池效能與穩定性之提升提供一重要之研究方向，且對電池之實用化與成本便宜化具有重要的貢獻。

Bismuth-based electrocatalytic scheme enabling efficient and selective electrosynthesis of 4-aminophenol in acidic media  

Fitri Nur Indah Sari, Cheng-Yi Su, Shih-Ching Huang, and Chia-Yu Lin 

Chem. Commun., 2024,60, 10922-10925

國立成功大學 化學工程學系 林家裕教授

本研究發現了一在酸性環境下對對硝基苯酚電化學還原生成對胺基苯酚反應具高活性與選擇性之Bi³⁺/Bi⁰電催化反應路徑。所開發之i³⁺/Bi⁰電催化反應路徑可適用於多種耐酸導電基材，如銅箔、鈦箔以及碳紙，且能夠在較產氫反應平衡電位低的電位下即可催化對硝基苯酚還原生成對胺基苯酚反應，除了具有優於貴重金屬之電流效率之外，其對胺基苯酚生成之選擇率可達~100%。此外，所開發之i³⁺/Bi⁰電催化反應路徑較其他使用強還原犧牲試劑(如硼氫化鈉)之催化系統具低能耗與永續性。另一方面，金屬鉍在酸性溶液中會遭受嚴重腐蝕，但在小的過電位(~80 mV)施加下，金屬鉍可再生並繼續催化對硝基苯酚還原反應，具有長期穩定性。 

(This article is part of the themed collection: ChemComm 60th Anniversary Collection)

Hydrogen sulfide coordinates glucose metabolism switch through destabilizing tetrameric pyruvate kinase M2

Rong-Hsuan Wang, Pin-Ru Chen, Yue-Ting Chen, Yi-Chang Chen, Yu-Hsin Chu,

Chia-Chen Chien, Po-Chen Chien, Shao-Yun Lo, Zhong-Liang Wang, Min-Chen Tsou,

Ssu-Yu Chen, Guang-Shen Chiu, Wen-Ling Chen, Yi-Hsuan Wu, Lily Hui-Ching Wang,

Wen-Ching Wang, Shu-Yi Lin, Hsing-Jien Kung, Lu-Hai Wang, 

Hui-Chun Cheng & Kai-Ti Lin 

Nature Communications, 15:7463, 2024

中國醫藥大學 王陸海 副校長暨中醫學院講座教授

國立清華大學 生命科學暨醫學院 鄭惠春副教授

國立清華大學 生命科學暨醫學院 林愷悌副教授

在癌細胞中，新陳代謝的改變是促進癌症進展的關鍵因素之一。正常細胞在氧氣充足時會進行有氧呼吸，透過粒線體產生大量能量；而在缺氧情況下，則會透過糖解作用生成少量能量，並產生乳酸。然而，癌細胞即便在氧氣充足時，仍偏向以糖解作用為主要代謝方式，這種現象稱為瓦氏效應（Warburg Effect）。癌細胞藉由這樣的代謝改變，獲得糖解作用的中間產物，用來合成DNA、RNA和蛋白質，從而快速增生。科學家對癌細胞這種特有的能量代謝模式有濃厚興趣，並希望通過引導癌細胞恢復正常的有氧呼吸，減緩核酸與蛋白質合成，因此抑制細胞分裂。而在這方面，丙酮酸激酶PKM2的活性扮演了關鍵角色。我們的研究發現，腫瘤中的缺氧環境會引發氣體訊號分子硫化氫（H₂S）的生成，進而透過蛋白修飾改變PKM2的結構，將其從高活性的四聚體轉變為低活性的二聚體，促進癌細胞攝取更多葡萄糖進行糖解作用並快速增殖。研究團隊進一步發現硫化氫對PKM2的修飾位點，並證明阻止這種修飾可改變癌細胞的糖代謝途徑，促使其恢復有氧呼吸，切斷增生所需的中間產物供應，從而抑制癌細胞增殖。進一步的小鼠實驗顯示，阻止硫化氫修飾PKM2能有效抑制乳癌生長。這一發現提供了潛在的抗癌策略，未來若能開發成藥物，可望應用於多種癌症的治療。

Facile Combination of Bismuth Vanadate with Nickel Tellurium Oxide for Efficient Photoelectrochemical Catalysis of Water Oxidation Reactions

Yu-Hsuan Chiu, Ren-Jei Chung, Chutima Kongvarhodom, Muhammad Saukani,

Sibidou Yougbaré, Hung-Ming Chen, Yung-Fu Wu, Lu-Yin Lin 

ACS Appl. Mater. Interfaces 2024, 16, 37, 49249–49261

國立臺北科技大學 化學工程與生物科技系 林律吟教授

明志科技大學 化學工程系 吳永富副教授

本文探討了以釩酸鉍(BiVO₄, BVO)為基底材料的光電化學催化電極，並藉由加入氧化鎳碲(Ni-Te oxide, NTO)作為助催化劑，來提升水氧化的反應性。BVO是一種能帶邊緣合適的光分解水之催化劑，但在分解程序進行時，水氧化反應通常是速率決定步驟。因此本研究加入了NTO，以降低此反應的活化能，並作為電洞的受體，進一步增強BVO的光催化能力。本團隊在實驗中採用了水熱法來合成NTO，並利用滴塗法將不同量的NTO沉積在BVO電極上。結果顯示，NTO/BVO複合材料具有更高的可見光吸收率和更有效的電荷傳遞機制，最佳比例的NTO/BVO電極在1.23 V_RHE下，可產生6.05 mA/cm²的光電流密度，且其光電流轉換效率(ABPE)能達到2.13%，明顯優於純BVO電極的4.19 mA/cm²和1.54%。甚至NTO/BVO在連續照光10000秒後，仍能保持91.31%的光電流，可展現優異的長期穩定性。

 

此外，本研究基於NTO與BVO之間的相互作用及其能帶結構，提出新的光電化學催化機制。NTO在複合材料中，不僅作為助催化劑以吸引電洞，進而加速水的氧化反應，還能在光照下激發出額外的電荷，協助提高光催化效率。實驗結果證實，NTO的沉積量是決定光電化學特性的關鍵，適量的NTO能顯著增強材料的光吸收性和電荷傳輸能力。總結本研究的成果，主要在於加入NTO助催化劑可提升BVO的光電化學催化能力。  

Decoding the Biomimetic Mineralization of Metal–Organic Frameworks in Water 

Shang-Wei Lin, Phuc Khanh Lam, Chin-Teng Wu, Kuan-Hsuan Su, Chi-Fang Sung,

Sen-Ruo Huang, Je-Wei Chang, Orion Shih, Yi-Qi Yeh, Trung Hieu Vo, Heng-Kwong Tsao, Haw-Ting Hsieh, U-Ser Jeng, Fa-Kuen Shieh, and Hsiao-Ching Yang

ACS Nano 2024, 18, 36, 25170-25182 

國家同步輻射研究中心 鄭有舜研究員

國立中央大學 化學系 謝發坤教授

輔仁大學 化學系 楊小青特聘教授

我們研究透過分子動力學模擬與密度泛函理論計算，深入探討金屬有機框架 (metal-organic framework, MOF) 在水溶液中的成核與結晶過程，及其如何影響生物蛋白分子的包裹封裝機制，模擬結果提供質子轉移機制與結構演變之分子層級資訊。為驗證理論模型，進一步設計並執行原位小角與廣角X光散射（small- and wide-angle X-ray scattering, SWAXS）實驗量測，即時監測其水相中之成核與結晶過程。實驗數據與模擬結果相互印證，共同揭示環境友善型MOF的生長過程之成核與結晶機制之全貌。在此選擇了能夠水相合成的ZIF-8作為研究系統，發現其早期的成核與結晶可分為三個階段：在階段一，咪唑配體取代鋅-水配位錯合物中的水，觸發質子轉移，形成無定形簇核。第二階段，無定形簇核進一步發生關鍵的結構轉變，朝向有序晶核轉變，形成有序的中尺度結構，此轉變受到能量屏障的影響，成為控制結構轉換速率的決定步驟。最後第三階段，溶液中的穩定晶體奈米粒子逐漸形成，晶體與溶液界面間的分子相互作用達到與溫度相關的熱平衡。更進一步探究可封裝的胃蛋白酶（pepsin）、未封裝的溶菌酶（lysozyme）蛋白質，對ZIF-8形成的影響，發現其氨基酸質子轉移能力和濃度，影響複合結構的形狀和包裹封裝效率。這項研究結果有助於理解生物仿生礦化的分子機制，並對在無定形MOF核內操作為蛋白質成核位點具有潛在應用前景。在此結合理論模擬與實驗量測的研究策略，有助於全面理解環境友善型MOF在水溶液中的成核與結晶過程，並為生物仿生礦化分子機制研究提供嶄新的理論與技術發展方向。   

Metal-free alkyne annulation enabling π-extension of boron-doped polycyclic aromatic hydrocarbons

Mandala Anitha, To-Jen Chin, Guan-Cheng Liu, Chi-Tien Hsieh, Kuan-Hua Wang,

Shu-Li Li, Mu-Jeng Cheng and Jeffrey M. Farrell

Chem. Sci., 2024,15, 16210-16215

國立臺灣大學 化學系 方頡睿助理教授

缺電子共軛有機材料因其可作為n型有機半導體材料而備受關注。在以碳基為主的有機共軛系統中，摻雜具有空p軌域的硼原子，不僅提升了共軛有機分子的缺電子性，也改變了材料的光電性質，進一步提升了其在有機太陽能電池（OSC）和有機薄膜電晶體（OTFT）中的應用潛力。然而，將硼原子摻入共軛分子的合成過程具有挑戰性，而其產物的穩定性則是限制硼摻雜有機共軛材料發展的主要瓶頸之一。本團隊致力於開發硼原子摻雜共軛材料的合成方法，並探討其結構與性質。在本研究中，我們在不使用金屬催化劑的條件下進行具位置選擇性的環化反應，合成了多種硼摻雜的共軛分子，再通過與不同取代基的末端炔反應，成功合成了一系列在可見光區具有高吸收性的缺電子含硼共軛分子。此外，晶體結構分析顯示，末端炔的取代基對這些分子的π-堆疊具有顯著影響。我們期望此合成方法能拓展硼摻雜共軛分子在有機光電材料中的應用潛力，相關研究仍在進行中。

Poly(carbonate acetal) vitrimers with enhanced thermal properties and closed-loop thermal recyclability derived from waste polycarbonate-derived polyaldehyde and pentaerythritol/erythritol/D-sorbitol  

Yi-Chun Chen, Kamani Sudhir K. Reddy, Ru-Jong Jeng and Ching-Hsuan Lin 

Green Chem., 2024,26, 10275-10289 

國立臺灣大學 高分子科學與工程研究所 鄭如忠教授

國立中興大學 化學工程學系 林慶炫特聘教授

全球正推動減碳運動，各產業紛紛朝向淨零、負碳排以及碳中和目標邁進。近年碳纖複材的環保議題備受討論，尤其風力葉片、汽車及航太產業中，對於收拾退役後的碳纖複材，目前仍以低成本的焚燒及掩埋方式處理，帶來新的環境議題。另外，聯合國環境大會擬定相關減塑公約，針對廢棄塑膠料源，建立多種回收再利用技術，針對廢棄物再利用，亦可達成減碳效益。其中聚碳酸酯為五大工程塑膠之一，用途廣泛且用量逐年攀升，每年產出三億噸的廢棄聚碳酸酯，其量相當可觀。

 

為實現環境友善，目前對於發展新興材料，主要朝向減碳、綠色化學、廢棄物再利用，及生物基原料的使用。臺大鄭如忠及中興林慶炫教授合作，將廢棄聚碳酸酯以100%原子效率，將其衍生多官能醛基化合物 (WPC-CHO)，與三種生物基多元醇，製備一系列縮醛 vitrimers及碳纖維複合材料。其中，於研究發現，WPC-CHO與不同多元醇，將形成五元環及六元環的縮醛鍵結，使縮醛 vitrimers顯現不同物性。此系列縮醛 vitrimers，與過往縮醛 vitrimers相關文獻相比，具高熱穩定性及耐化性。

 

另外動態縮醛鍵，賦予材料可再加工性及降解特性，使樹脂及複材走向產品使用週期終端後，可透過簡單的降解，即可將縮醛 vitrimers回收為原料的WPC-CHO與多元醇，達到Closed-loop回收。另外，碳纖複材可完整回收碳纖維，透過鑑定確認與新鮮碳纖無差異，可重複再利用。此材料將符合現今追求減碳淨零永續、循環經濟的需求。

MRMQuant: Automated MRM Data Quantitation for Large-Scale Targeted Metabolomics Analysis  

Ke-Shiuan Lynn, Hsiang-Yu Tang, Chi-Jen Lo, Cheng-Hung Yang, Yi-Ting Tseng,

and Mei-Ling Cheng

Anal. Chem. 2024, 96, 33, 13625–13635

輔仁大學 數學系 林可軒助理教授

MRMQuant是本團隊最新開發的一款工具軟體，專門處理大規模靶向代謝體學分析中高通量液相層析串聯質譜儀的多重反應監測(MRM)數據。其主要目的是提供一個僅需簡易操作，就能提供準確且快速定量的工具。

 

MRMQuant的具體特點簡述如下：

• 動態訊號平滑處理：解決因動態滯留時間而產生訊號間隔不均，以致波形誤判的問題。有效的消除雜訊並保留重要訊號，提升定量的準確度。

• 共沖提峰的自動解離：當多個化合物波峰發生共沖提時，使用演算法解離其各自的波形，提高定量準確性。

• 支援多種絕對定量：支援使用標準曲線和/或內標進行絕對定量，將化合物相對豐度轉換為絕對濃度。

• 視覺化檢查和修正：可透過圖形化介面檢視定量結果。類似人工修正可套用到多個樣本或化合物。

• 批次效應校正：降低不同批次樣品間因環境差異造成的定量變異，確保不同批次結果的可比較性。

• 標準曲線生成：可根據標準樣品的定量結果自動生成標準曲線，允許查驗和人工修正，以提供一般樣本的絕對濃度計算。

• 多元且可再利用的定量結果：包含化合物的豐度、濃度、滯留時間、結果評等和標準曲線等資訊，將保存在檔案中，供後續載入分析和修正。

 

◎MRMQuant v2.0 (包含安裝檔、原始檔和使用說明書)及相關測試資料免費下載處◎ 

 

國立嘉義大學 應用化學系 和 高雄醫學大學 醫藥暨應用化學系

蘇  明  德  教  授 

 

(文章內容版權為蘇明德教授所有，如需引用請聯繫midesu@mail.ncyu.edu.tw)

目前，「鎂」已成為一種重要的結構材料元素，主要在於「鎂」是所有金屬元素中密度排名第5名。 「鎂」的密度大約僅是〝鐵〞的1/5、〝鋁〞的2/3。 正因為「鎂」在實用金屬中是最輕的，且「鎂」的〝比強度〞（Specific Strength，抗拉強度/密度）和〝比剛性〞（Specific Stiffness，彈性係數/密度）都十分優異，故在現代工業上，「鎂」的用途相當廣泛。 

 

「鎂」通常也和多種金屬形成〝合金〞(Alloys)。所謂〝合金〞是經由熔化或混合兩種或多種金屬製成，其性質不同於個別金屬。 與塑膠材料相比，〝鎂合金〞重量輕、強度高、減震性好、不易老化，又有良好的導熱性、電磁屏蔽能力強，以及非常好的壓鑄工藝性能，尤其是具有易於回收等的優點，是替代鋼鐵和工程塑膠材料的新一代高性能結構材料。 

 

「鎂」是所有生物不可或缺的元素之一。簡單地說，「鎂」是人體內部上百種生物〝輔酶〞（又稱〝酵素〞）發揮正常作用的重要基礎元素。〝輔酶〞是活生物體的〝催化劑〞，因為〝輔酶〞可以加快某些發生在生物體內的化學變化。有了「鎂」的存在，〝輔酶〞在活細胞裏才能正常工作。

美國化學會化學教育創新獎(ACS-CEI)是表彰在化學教育中融入永續理念的卓越貢獻。這本書是由獲獎的教育工作者分享他們成功將永續性融入大學化學課程的經驗。第一冊是主要是高中課程、課外活動和各國經驗，內容包括設計綠色與永續化學工作坊給高中教師；透過社會科學議題實現高中永續發展教育。第二冊是針對大學課程，內容包括將氣候變化素養融入有機化學課程；在課堂和教學實驗室以永續活動主題例如氣候變化、水質淨化或藥品綠色合成來吸引學生。 

 

今年的諾貝爾化學獎與物理學獎都頒發給與AI發展相關的研究，這無疑顯示了人工智慧在科學領域中正扮演越來越重要的角色。AI不僅加速了數據分析和實驗設計的過程，也讓研究人員能夠更快地進行複雜理論的模擬和預測。然而，這樣的發展同時也帶來了挑戰，特別是在基礎科學領域，研究人員必須適應這些新技術，並重新思考傳統研究方式的價值。AI提供了強大的工具，讓研究人員能夠處理前所未有的大量數據，但也要求他們擁有跨領域的能力來理解和應用這些技術，這對科學研究未來的發展既是助力，也是挑戰。

 

此外，在教學現場也可藉由AI的協助，提供客製化的教學內容和學習資源，讓每位學生都能以最適合自己的方式學習。然而，隨著AI的廣泛應用，如何教導學生判斷AI結果的可信度也成為一個重要課題。我們需要培養學生的批判性思維，讓他們不僅能善用AI工具，也能評估其結果的準確性和可靠性，這將會是未來教學上的重要挑戰。

 

關注AI趨勢與未來研究走向之際，也再次向所有讀者介紹可以透過每月寄送的化學圖書電子報獲得化學新知和研究新發現。同時也和大家宣傳我們【自然科學及永續研究圖書服務計畫-化學領域】的館際合作服務，當大家在研究中遇到無法獲得的期刊文章、或是無法開啟在電子報中〈書訊補給站〉介紹的專書、〈推薦報導〉的新知，〈臺灣研究新發現〉成果發表的期刊，別忘了「化學中心總圖書室」始終支持您的研究工作，可以提供「零距離、免付費」的館際合作服務，線上提出申請，化學領域的電子期刊、電子書，以及紙本文獻通通都有！化學中心總圖書室會於正常上班時間4小時內回覆(週一~五，09:00-17:00)，歡迎多加利用。

 

也請各位能花幾分鐘的時間填寫服務滿意度調查問卷，您的批評與指教才能使我們不斷改善服務方向和品質，再次謝謝大家。