熱浪無礙自然涼

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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