【女科學家】璀璨與完美—看見晶體結構的女人

以羅莎琳‧法蘭克林為名的醫學院校徽。此名垂青史的圖像稱為〈照片51〉,是1952年她所拍攝的一張DNA之X光繞射圖片。

■ 1968年,以雙重螺旋結構獲得諾貝爾獎的六年後,華森在他的回憶錄《雙重螺旋》中提到已過世的法蘭克林,說她是個無聊的女學究(bluestocking),而且沒有能力進一步利用她辛苦獲得的DNA繞射資料。2003年,華森才正式在國王學院新大樓命名紀念演說中承認,法蘭克林「是我們能夠有這項重大發現的關鍵」。

撰文 ∣ 柯昭儀

  你好奇過物品是如何組成的嗎?你知道有辦法可以透視它嗎? 自從1895年倫琴(William C. Rontgen)發現穿透性極強的X射線,1912年勞厄(Max von Laue)發表X射線的繞射現象,1913年布拉格父子(W. H & H. L Bragg)開發出第一台X光光譜儀,人類就像得到開啟宇宙奧祕的鑰匙,往微觀世界大步前進。X光晶體繞射學能讓人們得知大生物分子的三度空間結構,科學史上的重大發現更是不能沒有它;像是第一個被發現的抗生素(青黴素;俗稱盤尼西林)、維他命B12及DNA奇妙的雙股螺旋結構,都是因它而問世。現在X射線結晶學不但是人們開發新材料或合成新藥不可或缺的工具,更是許多前瞻性研究突破瓶頸的利器,而促使這門學問蓬勃發展的功臣,正是一群在探索和發現之間契而不捨的女性。

  2011年是居禮夫人獲得諾貝爾化學獎滿一百年,為了紀念女性摘下科學桂冠邁入一世紀,聯合國將今年訂為「國際化學年」,台大科學教育發展中心探索講座響應國際盛事,策劃「有她,科學從此不一樣:女科家學系列」講座,讓大家認識更多傑出的女科學家。本場講座以結晶學發展史為主軸,為大家介紹幾位在X光結晶學領域大放異彩的女科學家;上半場由王瑜教授為大家介紹1964年獲得諾貝爾化學獎得主桃樂絲.哈奇金,清大生命科學系的孫玉珠教授則接著介紹羅莎琳.法蘭克林及伊莎貝拉.卡爾,這兩位的研究成果對後世影響深遠,儘管與諾貝爾獎擦肩而過,但卻是真正的的幕後英雌。

  台灣化學系的王瑜教授,是台大理學院首任女院長,曾擔任國科會自然處首任女性處長,並於2010年當選為中研院院士。她也是國內研究X射線結晶的先驅學者,以精準的單晶X光繞射數據,結合高層次的電子結構計算結果,來獲知分子中的電子密度、探討化學鍵如何形成,進而找出分子特性與樣貌。除了本身傑出的學術成就之外,王瑜教授對於台灣在國際學術地位的爭取更是不遺餘力;為了深植國內X射線晶體分析的實力,她在1981年建立國內第一個單晶結構解析中心,並於1986年創立國際結晶學會中華民國結晶學委員會,然後努力將它納入國際晶體學會的體系,終於在1996年讓台灣成為國際結晶學會的成員國。另一位講者是清大生命科學系的孫玉珠教授,她是求學時期就專攻結晶學,1995年畢業於美國賓州匹芝堡大學結晶學系,專長為運用X射線繞射的方法,研究生物晶體分子結構,並且以物理和化學反應,研究生物的功能。

尋找蛋白質真相

這可愛的裝置是哈奇金1945年發現的盤尼西林結構。陳列於倫敦科學博物館。

  桃樂絲.哈奇金(Dorothy Hodgkin)是英國的化學家,1910年出生於開羅,1932年畢業於牛津大學,之後進入劍橋大學當研究生,1934年她回牛津大學擔任教學和研究工作,並於1947年當選為英國皇家學會會員。早在就讀劍橋大學期間,哈奇金就發現X射線結晶對於蛋白質結構判斷具有無窮潛力,她也是首位以X射線觀察生物分子三度空間結構的學者,豐碩的研究成果也為日後蛋白質結晶學的發展奠定扎實的基礎。哈奇金的重要成就包括以X光繞射作為結構分析的主要工具,確立了膽固醇、青黴素、維生素B12及胰島素的三度空間結構。

  青黴素是人類使用的第一個抗生素,哈奇金在1941年定出青黴素的結構時,人們尚未暸解青黴素的化學式,哈奇金的研究促使青黴素得以被商業化生產,不但使人類的健康獲得保障,還延長平均壽命。哈奇金也花了10年的時光,來確定維生素B12分子的立體結構,維生素B12是人體不可或缺的營養素之一,也是製造血紅素的必需物質,兒童如果缺乏B12不但會發育不良,更可能導致惡性貧血,但是當時維生素B12不但昂貴,而且相當稀少,哈奇金精確地測定了維生素B12的分子結構,才得以實現維生素B12的人工合成。由於青黴素及維生素B12的研究,對人類的健康的意義非凡,哈奇金在1964年榮獲諾貝爾化學獎桂冠,儘管如此哈奇金並沒有停止研究的步伐,仍然持續進行胰島素的研究,雖然當時X射線晶體技術尚無法處理複雜的胰島素分子,但是她和合作夥伴花了將近35年的時間不斷修正,終於在1969年完成胰島素的結構分析,熱心、良善的她還到世界各地宣導胰島素對糖尿病的重要性。

  身為少數的女性諾貝爾科學獎得主,1964年哈奇金獲頒諾貝爾化學獎時,真誠道出女性科學研究者的心聲:「我衷心希望我的女性身份在諾貝爾獲獎者中不要這樣的突兀,當社會給予女性機會,將其與男性同等的科學天賦不斷地展現出來,在不久的將來人們將不會對一個女性獲得諾貝爾獎感到吃驚。」事實上,女性投入科學活動比男性晚得太多,因為女性一直到19世紀後期才被允許進入大學,而且就算獲得學位和成就,也不容易打入科學的社交圈。例如成立於1662年的英國皇家學會,一直到1945年才有第一個女性會員,成立於1666年的法國科學院,則是到了1962年才有第一個女性會員,除此之外,還有許多非正式或非結構性的障礙存在,並且從不同面向制約女性科學家的發展。女科學家要掙脫傳統的枷鎖,在科學領域展現出自我風格並不容易。相較之下哈奇金是個幸運的女孩,她的父親從事教育工作,母親在考古研究成就斐然,父母都樂於工作、喜愛新知,哈奇金在1938年結婚,她的先生是非洲事務專家,不但支持她外出工作,並且引以為傲。在環境和時間的支持下,哈奇金雖然生育了三個孩子,她有別那個時代的女性,仍然盡情投入熱愛的工作領域,並且憑著堅持和天賦,勤奮治學同時也是賢妻良母。王教授特別提到哈奇金長期關心第三世界的科學發展,她更是世界和和平的擁護者。

承先啟後

  在孫玉珠教授的演講中,我們知道法蘭克林(Rosalind Franklin)是個集美麗、聰慧與勇敢於一身的女性,有人讚揚她拍的第五十一號DNA照片是「有史以來拍得最漂亮的X射線照片之一」。這張照片在未經她同意的情況下,流到華森(James D. Watson)手上,也讓華森等人在於1953年解開了雙螺旋結構,1962年華森、克里克與韋爾金斯因而榮獲諾貝爾醫學獎。克里克曾經表示:「我們之所以能摸索出DNA的結構,是基於法蘭克林及與他們合作的人員所提供的X射線圖形……」,然而,此時法蘭克林已於1958年因卵巢癌早逝,當然無緣與另外三人同享諾貝爾桂冠的榮耀。值得欣慰的是為了使法蘭克林獲得她應該得到的榮耀,2003年倫敦國王學院將一棟新大樓命名為「羅莎琳-威爾金斯館」以紀念她與同事威爾金斯所作的貢獻。美國芝加哥芬奇醫學院(Finch University of Health Sciences)在2004年改變校名為「羅莎琳.法蘭克林醫學院」(Rosalind Franklin University of Medicine and Science),來紀念羅莎琳對生理醫學的傑出貢獻。

  另一位在結晶學領域才華橫溢的女科學家是卡爾(Isabella Karle),她是美國的化學家,曾與先生共同在美國海軍研究院工作,卡爾的先生擅長統計理論,卡爾專精分析構造,再兩人攜手合作下完成含有三、四十個原子的大分子,他們發展的X光直接散射技術,也讓卡爾的丈夫在1985年諾貝爾化學獎,可惜的是卡爾卻成了遺珠。卡爾的大女兒露薏茲(Louise)也是一位化學家,任職於布魯克海文(Brookhaven)國家實驗室的她,對於母親未被頒發諾貝爾化學獎,遺憾的表示:「雙親在研究上一直密切合作,若沒有母親,將無法如此快速有成果。」

  這幾位女科學家因為熱愛科學,面對科學旅途的種種挑戰,始終懷有兒時的好奇心,為了科學的突破貢獻自己的力量,一次又一次挑戰已知的極限,只為了發現的那一刻,猶如完美的晶體,不但蘊藏著奧妙的內涵,同時閃耀著璀璨的光芒,向世人訴說:「偉大的科學成應該是超越性別限制的。」

  

(本文作者畢業於淡江大學化學研究所,現從事消費品檢測領域)

For CASE 2011 女科學家系列演講‧結晶學發展史-從小分子到大分子

責任編輯:MissZoe

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