〈研之有物〉讓生物分子躍然紙上 專訪洪上程

生物分子「摺」學

生物分子 (Biomolecule) 是指存在於生物體內的分子，包含人體中的膽固醇、DNA、還有微生物和植物產生的天然物等等。生物分子大多為有機化合物，由碳、氫、氧、氮、硫等原子，依循大自然的規則組成精巧的結構，彷彿造物主的摺紙作品。現在，你也能透過手中的紙張，摺出存在於你體內的生物分子。

紙張的超級變變變

多數人聽到「摺紙」，會想到摺紙鶴、摺東南西北，就是小孩子的遊戲。但新式摺紙先驅 Robert Lang 於演講時曾分享：「摺紙的精髓， 在於摺的動作，在於成形的過程。」

摺紙只有一個簡單的方程式：想好要摺的結構 → 設計摺紙步驟 → 摺出成品。

摺紙的這種思考方法，和科學家合成生物分子的思考方法類似。先從大到小，運用 X 射線晶體學、核磁共振成像、低溫電子顯微鏡等設備與技術，窺見生物分子的結構樣貌，並將生物分子結構以反合成分析拆解成小單元；接著，基於有機化學、分子動力學等知識，逆推這些小單元如何組合成完整的生物分子，從小到大，設計出合成反應的步驟。

「不是硬記公式，否則到了實驗室不一定做得出來。」洪上程提醒：要從週期表出發，先了解碳、氫、氧、氮、硫等元素的特性，以及了解這些元素和元素鍵結會形成哪種官能基團，從這些關聯去推理合成反應。

如果這太抽象的話，摺紙可以幫助理解。洪上程拿出一些小紙片：「這些三角形、四角形、五邊形、六邊形，就像生物分子的最小建構單元，可以組合成很多摺紙造型，也能變化出很多生物分子結構。」

摺出你體內的小夥伴

1953 年華生 (James Watson) 和克里克 (Francis Crick) 根據弗蘭克林 (Rosalind Franklin) 的Ｘ光晶體實驗結果提出 DNA 雙股螺旋結構圖，華生和克里克並於 1962 年獲得諾貝爾生理學或醫學獎。

1976 年理察 · 道金斯 (Richard Dawkins) 出版《自私的基因》一書，從演化論的角度說明 DNA 如何決定生物的行為。簡要地來說，我們的所作所為都是為了存活並繁衍基因組合，讓 DNA 可以不斷複製、永久傳承，成為「永恆的基因」。

默默操控我們所作所為的 DNA ，是由核苷酸組成的生物大分子，而核苷酸是由碳、氫、氧、氮、磷等原子鍵結組成。說了這麼多，DNA 雙股螺旋究竟長什麼模樣？不妨拿出一張紙，依下圖摺摺看：

除了 DNA ，還有另一種可以用摺紙呈現、跟我們緊密相關的生物分子：青黴素。

1928 年弗萊明 (Alexander Fleming) 在長滿細菌的培養皿中，意外觀察到角落長了一塊青黴菌、而且周圍都沒有細菌滋長。無心插柳，弗萊明想到這塊綠綠的可能與殺菌有關，並進行實驗證明青黴菌含有殺菌的成分，也就是青黴素。

青黴素的化學式為 C9H11N2O4S，是由碳、氫、氮、氧、硫鍵結組成的生物分子，也人類最早從大自然發現的抗生素，並作為藥品持續使用至今。久仰其名，本尊究竟長什麼模樣？如下圖，其核心結構由五環 (五邊形的環)＋四環 (四邊形的環) 組成，這也是青黴素具備殺菌活性的構效之一。

但是，你有沒有想過──摺紙會不會摺反呢？如果大自然的創造部門，創造出像照鏡子般相反的生物分子，會有什麼問題？這可以用「膽固醇」的結構來舉例。

說到膽固醇，通常會自然聯想到心血管疾病。其實膽固醇不是只作惡，它在我們體內扮演重要角色，是細胞製造細胞膜的原料、也是合成重要荷爾蒙 (例如性荷爾蒙) 及膽汁的材料。

膽固醇的化學式為 C27H46O，是由碳、氫、氧鍵結而成的生物分子。其分子的核心結構，由三個六環 (六邊形的環)＋一個五環 (五邊形的環) 組成，如下圖：

但若膽固醇的結構摺反了，看起來就像是鏡子的反射，這樣就出現「鏡像」的問題。洪上程拿出兩枚摺紙作品對照，這種鏡像的產物，在有機化學領域稱為鏡像異構物 (Enantiomer) 。

鏡像異構物就像人的左右手，請伸出你的左右手看看，兩隻手看起來很像，但上下交疊卻無法完全疊合。你的左右手不是同一隻手，鏡像異構物在結構上也不是同一種化合物，在生物體內發生的化學反應也往往不同。「鏡像」是大自然有趣的現象，然而在合成有機化合物時需特別注意，尤其是在合成藥物時，救人與害人只有一鏡之隔。

看了青黴素和膽固醇和兩種摺紙，你是否有觀察到：生物分子結構主要由五邊形、六邊形的環組成。這是為什麼？

五環和六環為何最常見

現實生活的演藝界， 5566 成員隨著生涯發展而解散。但在生物分子界，原子以五環和六環的結構在一起反而相當穩定。

洪上程說明：「六環各個角的角張力最穩定，其次是五環，因此最容易維持這種結構存在於大自然中。」某些有機分子結構為四角形或三角形，其 90 度角和 60 度角的角張力比較大、該鍵結處蘊含較多燃燒熱，組成這種角度的原子或分子彼此容易鬧不合，並發生化學反應斷開連結。

洪上程以人工合成的立方烷 (Cubane) 為例，如下圖呈現為正四方體，其化學式為 C8H8，是由碳和氫組成的有機化合物。立方烷這個漂亮的正四方體，曾被人們認為不可能合成出來，因為各個角都是 90 度，角張力相當大，頂點和頂點間的碳—碳鍵處於充滿能量，且容易釋放熱能並產生鍵結變動的狀態。

然而， 1964 年芝加哥大學的 Dr. Philip Eaton 等人首先將立方烷合成出來，並運用其在燃燒時會釋放鍵結處所含熱能的特點，後與美國海軍研究實驗室 (United States Naval Research Laboratory) 合作，將立方烷改裝合成為性能強大的炸藥──八硝基立方烷 (Octanitrocubane)，化學式為 C8(NO2)8。

其合成方式類似鋼蛋機器人的組裝強化，在立方烷四面體的八個頂點，把原本的氫原子拿掉，改成接上容易爆炸的硝基官能團 (-NO2) ，就變成可以製造軍火炸藥的八硝基立方烷。

別把結構當成武功秘笈背

如同上述的例子，若想合成大自然存在的生物分子、或是人工合成的有機化合物，要先做好小單元的片段，最後再組合成想要的完整分子結構。

然而，洪上程提到，學校很少教這些組合的過程，而是直接教你背最後的化學式、硬記化學結構。武俠小說中，常有這樣的情節：師傅丟一本武功祕笈給徒兒，言道「你不會就先背起來，長大就能體會其中的意義。」洪上程笑著問：「有機化學、生物分子，也要當作武功祕笈這樣背嗎？」

透過摺紙培養興趣、在手中賞玩生物分子結構，是洪上程在科普演講中讓大人和小孩放下武功祕笈所做的嘗試。在有機化學領域研究與教書多年，更與研究團隊攜手獲得國家新創獎，洪上程工作之餘的休閒活動，就是坐在家裡客廳思考如何設計摺紙。

此外，洪上程提到許多小孩曾經都很愛東看西看、東問西問，但若家長或老師回答不出來，往往就會從小孩的頭殼巴下去，並罵道：「囝仔人有耳無嘴」。這就像有人在舞台上唱歌，萬一台下聽眾隨口說聲「唱歌那麼難聽」，從此這名演唱者可能就不敢再拿起麥克風。

「現在小孩壓力很大，我在思考如何讓人覺得快樂，例如看看這些漂亮的摺紙作品，可能心情會蠻好的。」洪上程說完並問：你知道什麼是最長的英文單字嗎？

聽到這個問題，通常會在腦海搜索、振筆疾書，但英文單字寫再長也才一張 A4 頁面。「其實，最長的字是 smiles (笑容)，兩個 s 中間有 1 英里長～」洪上程笑呵呵地公布答案，並希望透過分享如何玩摺紙，讓人們多一秒快樂，同時也少一秒憂愁。

原文連結：讓生物分子躍然紙上 專訪洪上程

延伸閱讀：

• 洪上程的個人網頁
• 【科普演講】從生物分子窺見摺紙藝術，講者：洪上程