結構生物學與低溫電子顯微鏡影像分析 - 化學系二年級 邵偉凱
課程名稱►結構生物學與低溫電子顯微鏡影像分析 授課教師►牙醫系 吳尚蓉老師
心得分享者►化學系二年級 邵偉凱
前言
剛上大學的暑假，我藉由「學術成大」的活動參訪成大與同步輻射研究中心合作的蛋白質結晶學實驗室，學到第一種研究蛋白質結構的方法。又在大一普通化學了解到透過核磁共振產生的NMR光譜也可以測定分子結構。當時我以為知道測定物質結構的所有方法了，直到看見模組化課程「結構生物學與低溫電子顯微鏡影像分析」時，我才發現原來還有我不知道的方法，所以就決定要修這個課並藉由模組化課程增加領域通識的學分。
我同時發現許多與化學關聯性頗高的模組化課程，也因此選了不少課，希望藉由模組化多面向的課程幫助我在化學的眾多領域中找到適合自己的方向。鑑於上一次因為晚了五分鐘選課導致我想選的課程全部沒選到，所以這次我在開放選課的瞬間就馬上搶課了，也確實如願選到我想修的課程。
課程介紹
這堂課是我所修的第一門模組化課程所以我印象特別深刻。吳尚蓉教授的課程安排不僅可以幫沒有生物基礎的同學打下良好的基礎以應付後面的內容，也可以讓有基礎的同學從不同面向切入相同的觀念。
這堂課程首先從結構生物學在轉譯醫學中的角色談起，因此老師先分別對轉譯醫學及蛋白質做詳細的解說，讓我們了解到轉譯醫學將基礎醫學的研究應用在臨床上是困難的，所以徹底了解細胞中各種蛋白質的結構至為重要，而解析蛋白質結構就是結構生物學在做的事情。蛋白質的四級結構是生物體中具有功能的最小單位(僅有少數例外)，所以結構生物學家的主要工作就是解析蛋白質及其複合物的精確結構。
在詳細介紹低溫電子顯微鏡(Cryo-EM)前，吳尚蓉教授也先把這個技術與我先前知道的X-ray晶體學和NMR光譜學做了使用限制與解析度的比較。從X-ray晶體學解出來的電子密度圖可以推測出分子高解析度的三維結構，但是目標物質需要可以長成結晶才有辦法使用這個技術，例如肌紅蛋白的結構就是藉由這個技術找到的。相反地，完整的病毒顆粒因為沒辦法長成晶體所以就無法藉由這個技術解構!從NMR光譜解出來的化學位移也可以獲得高解析度的三維結構，不過受限於技術所以待測物的分子量需要小於35000g/mol，例如腺病毒的分子量就略大於限制，導致沒辦法利用NMR解構!於是從精確度較低的電子顯微鏡了解這些物質就成為唯一的管道，因為電子顯微鏡相對上使用的限制比較少。
在知道為什麼結構生物學會需要Cryo-EM的技術後，老師循序漸進地講解電子顯微鏡的原理、需要低溫的原因、無序冰的形成條件、超薄切片技術及三維結構重組的技術，讓我們沉浸在整個Cryo-EM發展的進程中。由於從電子顯微鏡投射出來的二維影像重組三維立體結構是非常重要的技術，所以吳尚蓉教授在講解這個困難的概念時，若遇到同學無法理解也會試圖用許多不同的方法解釋直到所有人都了解，我覺得老師的教學真的非常用心!
在講解完Cryo-EM的技術後，吳尚蓉教授會在課程中實際操作一次影像重組的整個流程，讓我們知道如何從電子顯微鏡產生的二維影像一步一步重組成立體結構，並說明如何從Cryo-EM得出來的三維圖像結合晶體學以得到高解析度結構分析。雖然整合老師所講的樣品製備流程，就好像能親自完成蛋白質結構解析一樣，但美中不足的地方就是本課程沒有讓我們有親有自操作的機會。
授課風格
吳尚蓉教授講話的語速偏快，如果平常都聽教授慢慢講的人可能會不太習慣。然而好處就是單位時間的知識密度非常高，短短一個禮拜可以學到非常多東西。雖然這門課的教學方式基本上是100%講授，但是如果有任何問題都可以直接問老師，吳尚蓉教授非常樂於回答，而且常常會補充許多相關知識讓我們從問題中學習到更多。如果問題不在專長內，老師也會回去找尋資料，然後隔天再幫我們解答，我覺得老師真的非常重視學生的任何疑問!
評量方式中的20%出席分數基本上是看模組化點名系統內的紀錄，不過如果有出席但是忘記點名的話也可以直接去找老師補登，老師完全不會刁難同學。80%的報告分數是有交就有基本分，內容的部分老師希望我們可以自己在課堂中找到有興趣的主題撰寫，或者從不同領域的面向詮釋課程內容。如果有問題不敢在課堂中問的也可以在報告裡面詢問老師，吳尚蓉教授會用E-mail詳細的回覆。另外，問問題也可以得到額外的加分；這部分是老師希望鼓勵同學提問而增加的規則。
心得
我之前也曾自己找資料學習電子顯微鏡的原理與相關應用，但內容頗為粗淺且正確性也有待驗證。這次在模組化課程中跟著吳尚蓉教授解說的脈絡總算讓我有系統、有層次的了解電子顯微鏡。於是在最後的報告中，我選擇以物理學的角度切入電子顯微鏡的設計原理。希望在了解化學及結構生物學對電子顯微鏡的觀點後，能跳脫自己的舒適圈以第三種領域切入達到「相近領域整合」。
我覺得自己之所以在這堂課程中的收穫那麼多，很大一部分是因為我每天下課都會留下來問吳尚蓉教授關於Cryo-EM在化學方面的問題，而老師也都很有耐心的跟我討論。最重要的是我從老師的回答裡得到不同於化學領域的觀點，這使我面對同一個問題時思考面向不斷更新。在這一來一往之間，我慢慢的從「多面向學習」整合了相近領域。
未來，我仍然會繼續往專精化學的路途中前進，但希望可以向周遭領域拓展，讓自己不限縮於單一領域!
關鍵字 #成大模組化 #相近領域整合 #生物化學 #Cryo-EM #蛋白質解構
