機械八爪魚 – 軟體機械人的突破

 

我們常常看到的機械人或機械臂，其功用主要是取代或協助人類完成某些工作。設計機械人的時候，科學家一般得到人體或其他動物骨骼的啟發，加上關節的控制使機械人移動。但是一般機械人的設計包含零件如電路控制板或電池，這些「硬」零件無可避免使機械人也有其限制，例如在一些地形比較顛簸的環境和狹窄的間隙，「硬體」機械人便未必能發揮所長。

因此科學家嘗試模仿毛蟲、八爪魚等軟體動物的身體構造而設計出「軟體」機械人，目的是希望能做到「硬體」機械人未能做到的伸展或扭曲等動作，使其在狹小的空間也可以靈活移動。

早陣子在網上看到一段短片，拍攝了一隻大型八爪魚從漁船上一個非常小的排水口逃出大海，不禁驚歎這種全身沒有骨頭的無脊椎動物的靈活性。要發明全自動軟體機械人，在操作上其實有一定難度，因為這些硬零件都需要由軟零件代替。

最近哈佛大學的科學家 Wehner et al. 便突破了這個界限。他們能製造出以八爪魚為模型的全自動軟體機械人。與之前機械魔鬼魚所利用光學導向和心臟細胞起跳而移動的原理不同，機械八爪魚移動的原理主要利用微流控 (microfluidics-即微量的液體流動)、氣動式設計、化學反應以及不同物料的運用令八隻爪自動郁動。

可能你從短片裏只是看到看似簡單一上一下的動作，也沒有甚麼大不了。但其設計背後包含了生物學、材料科學、化學等不同科學知識的範疇，經過30個設計及300個模型試驗才能得到這成果。

機械八爪魚是如何運作的呢？

首先，科學家利用3D打印技術造出八爪魚的雛型，不同彈性的聚合物(polymer) 形成八爪魚的不同部份，例如像肌肉和皮膚一樣的內外層，以及像血液一樣的流動液體。八爪魚的頭有兩組相同的液體燃料庫，連接著催化劑「白金納米粒子」(platinum nanoparticles)的儲存庫，管道伸延至每一條爪以及排氣孔。而每組液體燃料庫各自控制四條爪。

至於能源方面，科學家利用簡單的化學反應取代電池。他們利用雙氧水(Hydrogen peroxide – 過氧化氫) 作為液體燃料。當雙氧水遇到流動液體中的催化劑「白金納米粒子」(platinum nanoparticles)，便會產生化學反應而形成氧氣及水。氧氣使八爪魚體內流動液體網絡膨漲，肢體中不同物料的力學設計使肢體向上及下移動，最後氧氣及水排出體外。

 

 

那麼八爪魚體內的兩組網絡是如何自動交替？交替的原理與電路原理相似，但不同的是利用液體流動和活門的設計產生壓力。當一個管道受到壓力暫時閉塞，另一組的液體燃料便從另一個管道經過白金納米粒子儲存庫而產生化學反應，下一個循環又再重新開始。

管道物料的厚度、液體燃料的流動及壓力丶排氣孔的大小丶以至燃料濃度都經過嚴謹的計算，才能使兩組爪同步郁動以及時間上準確的交替。初步計算1毫升的液體燃料能維持4-8分鐘的動作。

軟體機械人設計聰明的地方，是利用不同物料的彈性以及氣壓的設計可以令機械人自動產生動作，是同類的機械設計所沒有的。當然，這樣的八爪魚自動機械雛型只是設計全自動軟體機械人概念的第一步驗證。要機械人配合不同的環境而作出不同的反應，以及速度、角度和力度等考量，都是自動軟體機械人的大挑戰。

 

參考文章:

Wehner et al. An integrated design and fabrication strategy for entirely soft, autonomous robots. Nature (2016). DOI: 10.1038/nature19100

Beyond Terminator: squishy ‘octobot’ heralds new era of soft robotics

 

 

 

 

 

 

 

 

為了改造基因，科學家可以去到幾盡？

E. coli. / wikipedia

 

從顯微鏡才能看到的細菌以至人類，每一種生物都有特定的基因圖譜。簡單來說不同生物都有特定的編碼程式。

蛋白質是每種生物不同細胞的必要元素，我們的免疫系統、細胞之間訊息的傳遞都缺少不了蛋白質。而蛋白質的基本單位便是胺基酸 (amino acids)，胺基酸由64個不同組合的密碼子(codon) 組成。這樣的一層又一層緊密的結構，是維持生物正常運作的關鍵。

有趣的是，不同組合的密碼子也可以組成相同的胺基酸。例如CCC、 CCA、 CCG、 CCU 四個組合可以製造脯胺酸(Proline)，而GCU、 GCC、 GCA、 GCG 四個組合可以製造丙胺酸(Alanine)。

美國哈佛大學科學家George Church及其團隊想問一個大膽的問題：「我們可否透過改變密碼子把某些重複的密碼子組合刪去，從而重新編製生物的基因圖譜，但是不影響細胞的運作?」

於是他們把實驗室最常用的基因工程生物工具 – 大腸桿菌 (E. coli.) – 作為示範。要改變大腸桿菌的基因圖譜，就好像在一份三百七十萬字的Word文件中搜索七個由三個字母組成的組合，然後由其他的三個字母組合代替。完成重新編碼的藍圖後，再用各種生物科技的方法把不同的基因片段像砌圖一般重新拼湊。

團隊之前也證明， 新的編碼令病毒與宿主(即細菌)之間基因編碼無法配對，因此重新編碼的細菌較能抵抗病毒的入侵。另外，重新編碼的細菌只能在”非標準”胺基酸環境下生存，因此理論上這些細菌並不會污染自然生態及有一定的生物安全性。

團隊把整個大腸桿菌的基因圖譜分為87個區域，每個區域約有5萬個遺傳密碼 (即A丶U丶C或G) 。當中的7組密碼子由其他密碼子代替。總共在3000多個大腸桿菌基因中改變了大概62,000處的密碼子。

那麼，隨著而來的問題是，移除或代替這麼多的密碼子是否會影響生物的正常運作？

團隊驗證了55個區域，即大概63%重新編碼的基因，當中91%保留一定程度的功能，在2229個驗證改動的基因中，只有13處改動的基因令細菌死亡。當然，團隊還需逐一驗證餘下的遺傳密碼，以探究這樣大型的遺傳密碼改造工程對生物本身的影響。但是目前的結果顯示，生物對其基因圖譜重新編碼所帶來的影響，有一定程度的包容和彈性。

這項硏究驗證了從根本上改變基因編碼及大規模處理人造基因圖譜的可能性。理論上甚至乎可以把認為有需要的DNA湊合在一起成為一個新的基因圖譜，也可以說是朝著製造生命的方向進發。雖然這項研究只是在細菌這麼細小的生物嘗試概念上的驗證，但無疑在人造生物的硏究領域上寫下重要的一頁。

說到製造生命以及生物安全性這兩個議題，或許已經不再是單純科技層面的問題，當中牽涉到道德論理的爭議，也是科學家不能逃避的。

 

參考文章:

1. Biologists are close to reinventing the genetic code of life.

2. Ostrov et al. Design, synthesis, and testing toward a 57-codon genome. Science (2016). DOI: 10.1126/science.aaf3639

從豬隻發現哮喘藥到運動員禁藥

 

flickr / phil_cannings1

 

 

最近看到新聞，說由大陸運港豬隻被驗出含有殘留哮喘藥，部份豬隻更流入市面。運港豬隻流程及檢測有既定程序，當中是否存在漏洞，當局仍在調查中，在此不作詳談。本文希望簡單探討所謂的哮喘藥在食用動物身上的科學機制是甚麼。

這些藥物物的原理是甚麼？

抗哮喘藥有多種類別，其中一種是乙類促效劑(beta-agonist)。抗哮喘藥的其中一個原理是可以令平滑肌放鬆，呼吸道擴張，保持患者氣流暢通。乙類促效劑屬於人工合成化學物質，包括鹽酸克崙特羅(Clenbuterol)、萊克多巴胺 (Ractopamine) 和沙丁胺醇 (Salbutamol)。而香港及歐美大部份國家都禁止鹽酸克崙特羅應用在食用動物身上。

雖然豬隻的呼吸道不一定有問題，但如果豬隻食用這些乙類促效劑一段長時間後 (例如達數月之久)，乙類促效劑能把營養重新分配，增加分解脂肪以及減少製造脂肪。同時亦能增加肌肉蛋白質含量及肌肉纖維細胞數量，因此能提高肉類的肌肉與脂肪的比例，增加重量，故有「瘦肉精」的俗稱。

 

為什麼要在食用動物身上加入這些獸藥?

好簡單，市場需要，現代人個個喜歡瘦肉，皆因知道肥豬肉不太健康。豬隻困在豬場都不會有太多機會走動而產生肌肉。最快的方法便是在動物飼料中加入刺激生長的物質，例如賀爾蒙(hormone)丶抗生素(antibiotics)丶以及上述的乙類促效劑等。試想想，當用了這些化學物質，飼料也相對地用少了，又可以提高產量，豬農利潤也自然增多，何樂而不為？

 

吃了這些獸藥殘留的肉類對人體有甚麼副作用?

問題是，鹽酸克崙特羅能改變肌肉及脂肪比例的同時，它也能成為有害的物質並留在其他器官裏(如肝臟丶心臟及肺臟等)。根據食物安全中心的資料¹，人類如果食用大量含鹽酸克崙特羅，有可能會引起急性中毒，症狀包括心跳加速、暈眩、頭痛、神經過敏等症狀，而患有心臟病或血壓失調的人也較易受影響。以往本港亦曾發生多宗市民可曾進食受禁藥污染的豬隻內臟而中毒的個案。

 

另外…..

鹽酸克崙特羅是一種能影響身陳代謝的藥物。它既能改變肌肉對脂肪的比例，長期使用又會增加肌肉的帶氧能力。不難想像，鹽酸克崙特羅在世界反運動禁藥機構 (World Anti-doping Agency) 的名單之上。這類乙類促效劑中也曾被運動員濫用，2010 年環法單車賽冠軍西班牙籍車手 Alberto Contador 賽後尿液被驗出含有微量的鹽酸克崙特羅，他辯稱是之前一晚吃了受禁藥污染的牛扒所致，這個解釋信不信由你。但經過調查後 Contador 被判有罪，並即時被除去2010年環法單車賽冠軍及其後幾個國際賽的得獎銜頭。

豬農也好，運動員也好。如果心存僥倖，利用不法手段達到一己目的，恐怕是失多於得罷了。名利雙失之餘，又弄到一地玻璃碎，何苦？

 

¹食物安全焦點(二零零七年九月第十四期)-焦點個案「豬肉中的瘦肉精」

 

 

癌症之戰 – 細菌自殺式襲擊

 

NASA / flickr

 

 

 19世紀的時候，美國醫生高利 (William Coley) 發現病人的左邊臉頰有一個腫瘤，後來這個病人感染了一種鏈球菌 (Streptococcus pyogenes)，高利醫生發現病人的腫瘤竟然漸漸消失。於是他嘗試在一些無法動手術的癌症病人身上打入鏈球菌，他的理論是細菌的毒素能敲響了病人自身免疫細胞的鐘聲，令免疫細胞群起攻擊癌細胞並殺死它們。這種利用細菌的毒素刺激免疫細胞對抗癌病的想法，開創了免疫療法 (Immunotherapy) 的先河。

之後的40年，高利醫生在接近一千個病人身上測試，這些細菌所產生的毒素稱為「高利毒素」。有些病人經注射後完全康復，有些病人卻因而死亡。雖然高利醫生發表了研究結果，但他對病人的病情跟進和注射的劑量丶方法也沒有系統的記錄。其他醫生嘗試在不同的病人身上注射毒素卻沒有看到一致的效果，因此當時受到其他醫生的質疑和批評，加上電療和化療有比較隱定和一致性的作用而開始被當時的醫學界所接受。直至1936年，也是高利醫生逝世的那一年，「高利毒素」也未能得到發展。

如果腫瘤是由很多癌細胞形成的一個球體，借用天王的金句，這個球體的「核心外圍」一般都會被血管包圍著，好讓氧氣和養份能輸送到癌細胞。化療的原理，便是透過這些血管把藥物輸送到癌細胞而殺死它們。問題是腫瘤的「核心內圍」，很多時候沒有被血管包圍，所以化療藥物很難輸送到那裏，所以未必能夠殺死所有癌細胞。另外，這個環境下的癌細胞「氧氣度」一般都十分低。

沙門氏菌 (Salmonella) 主要來源是未煮熟的肉類或生的雞蛋。感染沙門氏菌常見症狀包括嘔吐、腹瀉或有發燒。或許你不知道，這種細菌能在無氧的環境 (例如腫瘤的「核心內圍」) 下生存。科學家看到沙門氏菌這個特點，於是利用基因工程，使這些細菌能表達一種叫做浴血素 (Haemolysin E) 的物質，這種物質能刺穿癌細胞膜而造成癌細胞死亡。另外，他們還使細菌可以表達其他兩種蛋白：一種可以引起宿主本身免疫作用的 CCL21 和另外一種能引發癌細胞死亡的 Bit1-iGRD。因此，當細菌破裂的時候，便會釋放這些物質，令附近的癌細胞死亡。

問題是，如何命令這些細菌破裂及何時釋放這些針對癌細胞死亡的物質？

科學家透過基因工程令細菌感到擠迫的情況(例如細菌過度生長)下會產生群感效應 (Quorum sensing) 而啟動自我毀滅程序，釋放出浴血素。他們發現九成的細菌會自我毀滅，餘下一成沒有自我毀滅的「死剩種」又會繼續生長，當它們再次生長到某一個數量的時候，群感效應再次發生，於是下一輪的自我毀滅程序又再啟動，浴血素等物質再次釋放而刺穿未死的癌細胞。這種聰明的設計，既能使這些細菌同時破裂而釋放出有害的物質殺死癌細胞，同時亦避免大量細菌過度繁殖而產生對宿主有害的毒素。

接著，科學家首先在老鼠身上植入腸癌細胞，令牠們生長腫瘤，然後讓牠們口服細菌。這些細菌走到無氧的癌細胞後，癌細胞沒有繼續生長，結果與一般化療結果無異。但當細菌加上化療雙管齊下打入有癌細胞的老鼠時，老鼠身上的腫瘤竟然縮小了，牠們的存活率也增加了百分之五十。原因可能是化療的藥物殺死「核心外圍」的癌細胞後，細菌便可以攻陷缺氧環境下「核心內圍」的癌細胞。初步的研究結果確是令人鼓舞。

也許高利醫生沒有想到，後人不斷驗證他的理論而逐步認同免疫療法的功效。一百年後的今天，生物科技的發展和基因工程的進步已經可以利用細菌作為只針對殺死癌細胞的工具，甚至可以控制細菌的死亡，使它們完成任務後「光榮地死去」，使細菌所產生的毒素不會對人體有害。

但是利用基因改造的細菌是否百份百安全？那些沒有啟動自我毀滅程序的細菌會否有機會走到身體的其他部份？另外，即使在老鼠身上能夠殺死癌細胞，在人身上的成功率是否一樣高？生物的進化又是否在我們的控制範圍之內？這些問題的答案，希望我們不需要一百年後才知道。

 

 

參考文章:

Self-destructing bacteria are engineered to kill cancer cells

Din et al. Synchronized cycles of bacterial lysis for in vivo delivery. Nature (2016) doi:10.1038/nature18930