讓生物分子躍然紙上──專訪洪上程

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。