隨想 物理

好書推薦:利用物理來統一生物學

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撰文者:Sangjin Kim (宋育徴 譯)
發文日期:2021-11-09
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  • 生物學通常是以圖表傳授。但我們也能以物理學的語言—方程式—來教授生物學。而在生物物理學家羅伯.飛利浦(Rob Pillips)的新書《分子開關:信號與別構現象(1)》(The Molecular Switch: Signaling and Allostery)中,就是以統計物理學的形式主義,來解釋一項生物學之謎—別構現象(allostery)。


    飛利浦是在加州理工學院(Caltech)的生物物理學、生物學,及物理學教授。他曾撰寫或與人合著了幾本創造性地結合生物學、物理學,與材料科學概念的書籍,包含《晶體,缺陷和微結構:跨尺度模型》(Crystals, Defects and Microstructures: Modeling Across Scales,2001)、《細胞物理生物學》(Physical Biology of the Cell,第二版,2012),以及《從數字看細胞生物學》(Cell Biology by the Numbers,2016)。《分子開關》(The Molecular Switch)是另一本一脈相傳的出色書籍。它優雅地展示了物理學如何解釋一項生物學的概念,並統一了廣泛的生物現象。這本書對物理學家及生物學家來說都是很好的一本生物物理學簡介,也是給修習生物物理學進階課程的大學生及研究生的通用參考書目。


    蛋白質是活體細胞內的建構單元及具有功能性的分子單位。為了讓細胞能正常運作,蛋白質必須在受控制的狀態下發揮作用。但它們是怎麼做到的呢?理查.費曼(Richard Feynman)在他1963年的物理學講座上認為,「生物所做的一切都可以透過原子的搖晃及擺動來理解」。他的至理名言也適用於蛋白質。蛋白質摺疊成縝密的三維結構,並能與其他的分子相互作用。這些分子內及分子間的變化是動態的,且會隨著時間影響蛋白質的功能。


    如果一個蛋白質的活性會隨著與小分子結合而改變,則稱該蛋白質是「別構的 (allosteric) 」。這一詞最初是由賈克.莫諾(Jacques Monod)與方斯華.賈克柏(François Jacob)在1961年所創造。倘若不是全部,也會有許多的蛋白質被認為是別構的。由於其影響如此深遠,別構蛋白被稱為繼遺傳密碼(genetic code)之後,第二個生命的秘密。


    雖然別構現象在生物領域裡有廣大的影響,但在大多數的生物教科書中,都對它以僅僅一個例子進行相當扼要的解釋,就是血紅蛋白(hemoglobin)中與氧氣的協同結合,血紅蛋白是在我們血液中攜帶分子的蛋白質。飛利浦的新書的主要成就有兩項:它將對別構蛋白的討論擴大至幾乎自然界中的所有事物,並提出了研究它的新典範模式。


    正如本書的封面所示,這是一種建立在電話交換機上的新的研究模式。因為許多蛋白質可以被比喻為具有開啟與關閉,或是有活化或非活化狀態的開關,細胞的功能便可被視為因應這些分子開關做出輸入與輸出的反應。與開關之間的類比,讓生物學家可以忽略不同別構分子的微觀細節,並透過統計物理學平衡的形式,以離散狀態分析蛋白質的功能。


     
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    在這種模式下,飛利浦的目標在與分別來自生物學與物理學背景的讀者進行交流。他透過直截了當且合乎邏輯的組織巧妙地達成這個目標。在第一及第二個章節,飛利浦從生物學及物理學的觀點來解釋別構現象,以便讓所有的讀者都能獲得一致的訊息。他列出了基本的統計物理學概念,這樣他的模型就可以很容易地被推導出來。在第三章中,他使用離子通道的簡單範例,展示如何利用統計物理學描述一個分子開關和實驗可測量的行為,像是滲漏性(leakiness)及動態範圍(dynamic range)。


    飛利浦隨後將這種有深度、廣度,與清晰度的形式應用在多種不同的生物主題上,包括細菌對趨化物(chemoattractant)的游泳反應、眼睛對光偵測過程的細胞訊號傳導,以及轉錄因子(transcription factor)或核小體(nucleosome)對基因的調控。這些例子並不是被拿來當作需要記憶的知識,而是作為在前幾章所介紹的數學框架的一系列應用。飛利浦也讓讀者了解生物的多個尺度,從動物到細胞乃至於分子生物,進而強調了別構現象在自然界中的重要性及普遍性。


    因為學生的背景及期望各不相同,讓教授一堂生物物理學課程具有挑戰性。物理專業的學生可能會無法掌握有關生物學的細節,而使他們不易看見生物物理學的全貌。另一方面,生物專業的學生則可能會因為物理方程式而有挫敗感。《分子開關》考慮到了來自兩個領域的學生,學生們很高興能看到一個簡單的物理模型可以解釋如此多種不同且看似完全不一樣的現象。這本書在教育方面的另一個好處是它會教導學生如何提出有效的理論來描述生物現象,這對未來在物理學家與生物學家的合作上是非常重要的。


    別構現象的概念已經存在了幾十年。但是誰會想到它會被用來創造出統一生物學的物理定律?飛利浦在《分子開關》中就做到了這一點。任何喜歡統一之美的人都會欣賞他的巧妙手法。


    作者:Sangjin Kim,University of Illinois at Urbana-Champaign
    譯者:宋育徵





    譯者註
    別購現象(Allostery): 泛指一個分子具有一個以上的活性狀態(state of activity),而存在於這些狀態的機率可以由控制因子(effector(s))來決定。例如:離子通道有開啟與關閉兩種狀態,而配體鍵結可以讓它們傾向於處在開通的狀態。


    本文感謝Physics Today (American Institute of Physics) 同意物理雙月刊進行中文翻譯並授權刊登。原文刊登並收錄於Physics Today, November 2021 雜誌內 (Physics Today 74, 8, 52 (2021); https://doi.org/10.1063/PT.3.4817)。原文作者:Sangjin Kim。中文編譯:宋育徴,國立中央大學物理系助理。


    Physics Bimonthly (The Physics Society of Taiwan) appreciates that Physics Today (American Institute of Physics) authorizes Physics Bimonthly to translate and reprint in Mandarin. The article is contributed by Sangjin Kim, and is published on (Physics Today 74, 8, 52 (2021); https://doi.org/10.1063/PT.3.4817). The article in Mandarin is translated and edited by Y.C.Sung , working at the Department of Physics, National Central University.
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