〈研之有物〉「打開植物學課本，就像回到家啊！」發現葉綠體蛋白質橋樑的李秀敏
研之有物 2019-05-18 13:00
葉綠體的蛋白質橋樑
大家都知道光合作用是在葉綠體進行，但葉綠體有賴細胞輸入「蛋白質工人」才能正常運作。中研院分子生物研究所特聘研究員李秀敏與其團隊，花了七年的時間，找到能讓蛋白質穿越葉綠體外圍雙層膜的橋樑 TIC236，解開葉綠體運作的大謎團，更發現這套運輸系統從遠古細菌一直沿用到高等植物，是植物演化學的重大突破，論文於 2018 年 12 月登上《自然》 (Nature)，並獲專文推薦。
踏入李秀敏的實驗室，窗邊桌面是綠意盎然的植物，牆上貼著玉米品種演化和花草彩繪海報，拍照時，研究人員搬來幾株植物一同入鏡，這間研究室與植物很親密！問起為何投入葉綠體的研究？李秀敏想了想：「嗯，還真有點故事呢！」
就是愛植物！
她從小住在臺中眷村，孰悉巷弄裡的每一株植物，還會幫它們取名字。高中時成績很好，卻不想唸醫科，填志願時按照分數將臺大動物系填前面、植物系放後面。她笑著說：「小時候不知天高地厚，認為植物可以自己念，動物比較不喜歡，請老師教，這樣就兩門都會。」
結果，唸動物系第一年，她就發現不對勁！解剖青蛙時，她覺得有些蛙骨沒用就扔了，沒想到每個骨頭都有名字；其他對動物有興趣的同學，對蛙骨卻如數家珍。雖然成績是班上第一，但她唸得很痛苦。
直到大二開始上普通植物學這門課，當課本發下……
我就有回到家的感覺，我有興趣的東西都在裡面！
李秀敏決定轉系，將動物系的課全退掉，選修植物系的課。她跑去找動物系主任簽名，主任皺著眉頭說：「你要簽切結書，如果沒法順利畢業，要自己負責！」
她又跑去找植物系的教授加選課程，教授也十分驚訝：「從來沒人從動物系轉到植物系，你確定嗎？」期末成績出爐，她得到最高分，終於在大三時，如願轉入植物系。
後來赴美留學，一開始她也不是研究植物，而是挑了酵母菌、藍綠菌和動物細胞的三個實驗室輪流實習，但內心始終無法滿足。
她回憶：「某天我在想，如果要花生命中最精華的四、五年寫一本博士論文，我會做酵母菌或動物嗎？不可能！一定是做植物。」後來，研究藍綠菌的老師建議她去一間研究葉綠體的實驗室，她的博士論文就在那間實驗室完成。
從此，她的人生就跟「葉綠體蛋白質運輸」這個題目，結下不解之緣。
葉綠體蛋白質運輸
說到葉綠體，李秀敏就像聊起老朋友般熱絡：「一般人對葉綠體的印象只是行光合作用，其實它還有許多功能，身世也很有趣。」
遠古時期，有顆單細胞動物吞下了藍綠菌，藍綠菌變成細胞內的葉綠體，從此演化出植物這個大家族。植物細胞更將細胞質的許多功能轉交給葉綠體執行。
李秀敏說，如果把植物細胞看成一座城市，細胞內的葉綠體就像是一間間「城市農園」，除了行光合作用製造養分，還要負責製造必需胺基酸、脂肪酸和荷爾蒙等物質。
農園，當然需要工人囉！「葉綠體農園」在運作時，需要許多具有特殊功能的蛋白質，但這些「蛋白質工人」，大部分都是由植物細胞的細胞核下令、在細胞質製造完成後，才送入葉綠體工作。
問題來了！葉綠體外表有外膜和內膜，就像兩道城牆，中間還隔著一道膜間隙，就像護城河。那麼，蛋白質工人到底是如何順利的進入葉綠體的呢？這就是「葉綠體蛋白質運輸」的謎題，困擾了科學家數十年。
繞了一圈，回到最愛！
雖然她覺得葉綠體研究很有趣，但博士後為了拓展視野，她又拐了一個大彎，找了一個當紅的、研究植物光反應的實驗室。後來，她因緣際會飛去德國一個實驗室做研究，不料剛下飛機的第二天，騎腳踏車時摔斷了手！
她在醫院收到美國研究室傳來的植物光反應的實驗結果，心情很沮喪、根本不想看，就將紙翻面，沙沙沙寫下博士班沒完成的葉綠體題目……。
「又來了！你又忘記該追求自己的興趣。」她立刻寫信給博士後的老闆，放棄那個當紅的題目，回去研究最愛的葉綠體，從此再也不動搖。
「我現在常跟學生講，一定要追求自己的興趣，這樣才不會覺得累，可以一直做、一直做。」李秀敏微笑總結。
藏在葉綠體內外膜的謎團
回到這次的研究，李秀敏發現的葉綠體蛋白質橋樑，為什麼引起學界震撼？
早期研究已經知道，要進入葉綠體的蛋白質會攜帶一段特殊信號，就像帶了「識別證」，內外膜上有轉運機組，就像膜上的城門，能夠辨識信號並讓蛋白質通過。歷經二十多年研究，科學家已陸續發現轉運機組的成員，並將外膜的轉運機組稱為 TOC ，內膜的轉運機組稱為 TIC。
但近年來，科學家陷入瓶頸：他們發現蛋白質會同時穿越葉綠體的內外膜，可是中間隔著寬闊的膜間隙 (護城河)，蛋白質是怎麼穿越的？所以 TOC 和 TIC 這兩道「城門」之間，應該有一座「橋」相連，實驗上也支持這個看法。
於是全世界有十幾個實驗室都嘗試想找到這座橋，李秀敏的實驗室則在 2018 年宣告破解這座神祕的橋樑：TIC236。
好運，是留給準備好的人
為什麼大家一直找不到，李秀敏的團隊卻能？因為他們突破了過去實驗的思考框架：不從葉綠體下手，而是研究白色體！
白色體和葉綠體，都是由植物細胞的色質體分化而來，所以結構很相似，只是在葉子為了行光合作用，變成含有葉綠素的葉綠體，在根部不行光合作用，變成不含葉綠素、無色的白色體，用來儲存養分。
過去科學家用葉綠體做實驗，分析葉綠體內成分。但葉綠體有許多跟光合作用有關的蛋白質，用質譜儀分析時，它們的量很大、訊號強，TIC236 因為很容易被水解、訊號弱，會被掩蓋。但李秀敏用白色體做實驗，沒有上面說的大量葉綠體的蛋白質干擾，TIC236 才有機會現身。
妙的是，當初李秀敏和團隊一開始研究白色體，也不是為了尋找內外膜之間的這座橋，而是想要知道白色體內外膜的轉運機組是否跟葉綠體一樣，想用在作物改良上。
她請團隊成員朱瓊枝取下豌豆根、分離出白色體，分析膜上的轉運機組成員，結果意外看見一個新面孔：TIC236！
李秀敏立刻上網搜尋，找到一篇論文提到大腸桿菌的雙層膜之間也有個作為橋樑的 TamB 蛋白，居然跟 TIC236 的序列相似，換句話說，TIC236 可能與 TamB 一樣具有「橋樑」的功能。「莫非 TIC236 就是葉綠體外、內膜間的橋樑？」李秀敏敏感的聯想。
她說：「好運是留給準備好的人。那天搜尋到它跟大腸桿菌的 TamB 橋樑蛋白很像時，我已經知道大概是什麼樣的故事，但要有本事去證明。 」
破了一關，又一關
她先請團隊成員陳奕霖去研究：TIC236 基因是否在葉綠體裡也很重要？查資料庫後發現，TIC236 基因在阿拉伯芥全株都有表現，一旦基因被破壞，植株就會死亡，但過去科學家並不清楚這個基因的作用。
接下來，如果能證明 TIC236 和外膜通道蛋白 TOC75 真的相連，就能證明 TIC236 是連接內外膜轉運機組的橋樑了！陳奕霖用了一個很短的化學交聯劑做實驗，它的兩端可以分別和不同的氨基酸相黏。如果 TIC236 和 TOC75 都被它黏住，表示兩者距離非常非常接近，應該是相連的。結果，實驗成功了！
但好事多磨！當時有個德國研究團隊已經發表論文，認為葉綠體外膜通道 TOC75 在演化過程中已翻轉了 180 度。李秀敏很詫異：「如果 TOC75 真的已翻轉，TIC236 就不可能和 TOC75 相連！」因此他們又繞了一大圈，花上兩年重複德國的實驗，終於證實他們是錯的。
蛋白質啊！你可不可以跑快一點
最後，怎麼讓大家「眼見為憑」：在 TIC236 基因表現量減少的突變株中，TOC 和 TIC 轉運機組的複合體含量真的會減少？這要透過凝膠電泳並拍照。
方法是：通電後，各個蛋白質會按分子大小和性質等，分別在凝膠上移動，就像賽跑般有快 、有慢，藉此可將它們分開，一個個在凝膠上現形，就能一眼看出它們的多寡，又稱為跑膠。
一般蛋白質的分子量小，容易跑膠，但 TOC 和 TIC 轉運機組的複合體很大，在膠上跑不動。她說：「那時做這個真的快抓狂！那不是一般的膠，超難跑的！每個周末我都坐在研究室思考怎麼改進。」她和陳麗貞花了近兩年，終於完成這項艱鉅任務。
歷經七年的實驗抗戰，總算蒐集到充分證據，他們終於證明 TIC236 的確是葉綠體內、外膜之間的橋樑通道，並證實了這套運輸系統從最早的細菌一直保留至今，是植物演化學上的一大突破！論文獲登國際知名期刊《自然》（Nature），還得到編輯專文推薦。
李秀敏笑著解釋：「這個蛋白質很難做，我們有辦法找到，並證明它如同我們想像的，是從低等細菌一直保留到高等植物，是我們厲害的地方！」問到為什麼這次研究如此有創意，她頓了頓，認真的說：
這次的突破並非創新或天才想法，而是一步步、按部就班，並加上團隊的通力合作才能完成。
基於天生對植物的熱愛與長年的紮實研究，終於讓李秀敏發現這座葉綠體不可或缺的生命之橋。一直在這個問題上努力不懈的她，也宛如一座橋，引領我們探索植物生命的奧妙。
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