如何藉著設計全新的酵素來改變世界
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0:01 - 0:04我在威斯康辛州中部長大
很常待在戶外 -
0:04 - 0:07春天時，我會聞聞
紫丁香醉人的花香 -
0:08 - 0:11夏天時，螢火蟲
在悶熱的夜晚疾疾飛行 -
0:11 - 0:13發散出閃閃火光，深得我心
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0:13 - 0:16秋天時，鮮紅色的莓果佈滿了泥塘
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0:17 - 0:18即使是冬天
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0:18 - 0:21松樹散發聖誕節氣息也令人陶醉其中
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0:21 - 0:24大自然總是令我感到驚奇
又處處充滿靈感 -
0:25 - 0:28我一路讀到化學研究所，幾年過後
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0:28 - 0:31我對於大自然的分子結構
瞭解愈加詳細 -
0:32 - 0:33我剛提到的事物
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0:33 - 0:36從紫丁香和松果的香氣
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0:36 - 0:38到莓果的鮮紅色澤、螢火蟲的閃爍光點
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0:38 - 0:40都至少有一個共通點：
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0:40 - 0:43全都是酵素作用後的結果
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0:43 - 0:45我剛提到，我在威斯康辛州長大
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0:45 - 0:48所以當然很愛吃起司
也支持綠灣包裝工 -
0:48 - 0:50我們接著來聊聊起司
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0:50 - 0:52少說 7,000 年前開始
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0:52 - 0:55人們就從乳牛、綿羊、山羊
這些動物的胃裡 -
0:55 - 0:57萃取出綜合類型的酵素
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0:57 - 0:58接著加進乳品裡
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0:58 - 0:59乳品會因此凝結
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0:59 - 1:01這便是製作起司的環節之一
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1:01 - 1:04當中的關鍵酵素是凝乳酶
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1:04 - 1:06讓我帶著大家看看如何運作
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1:06 - 1:08這裡有兩根試管
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1:08 - 1:10接著在其中一根試管中加入凝乳酶
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1:10 - 1:11然後稍待一下
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1:12 - 1:15我兒子叫安東尼 ，今年八歲
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1:15 - 1:17他一直在幫我想辦法
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1:17 - 1:19如何在這次的 TED Talk 做示範
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1:19 - 1:21所以我們在廚房花了點時間
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1:21 - 1:23切了鳳梨
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1:23 - 1:27又從紅薯中提煉了酵素
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1:27 - 1:29試了好多不同的方法
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1:29 - 1:30最後我們決定
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1:30 - 1:32用凝乳酶來示範再有趣不過了
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1:32 - 1:34在這根試管裡
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1:34 - 1:38凝乳酶在牛奶中四處遊走
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1:38 - 1:41吸附其中一種蛋白質，名為酪蛋白
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1:41 - 1:43凝乳酶就像是一把分子剪刀
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1:43 - 1:45會切斷酪蛋白
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1:45 - 1:49正是這個切斷的動作讓牛奶凝結
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1:49 - 1:52我們那時在廚房就是在忙這件事
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1:52 - 1:54好的
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1:54 - 1:56我先把試管封上
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1:56 - 2:00接著放在旁邊醞釀一陣子
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2:00 - 2:01好的
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2:04 - 2:05若說 DNA 是生命的藍圖
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2:05 - 2:08那酵素便是執行指令的勞工
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2:08 - 2:10酵素這種蛋白質是催化劑
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2:10 - 2:13能讓化學反應加速
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2:13 - 2:16像是這邊的凝乳酶
正在讓牛奶更快凝結 -
2:17 - 2:19起司只是其中一個例子
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2:19 - 2:22酵素不僅對食物來說很重要
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2:22 - 2:24在其他地方更是隨處可見
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2:24 - 2:29像是維持嬰兒健康或
打擊現今最棘手的環境問題 -
2:30 - 2:33酵素的基本結構是胺基酸
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2:33 - 2:35常見的胺基酸有 20 種
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2:35 - 2:38通常用個別字母縮寫來命名
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2:38 - 2:41所以胺基酸種類
其實就像是英文字母 -
2:41 - 2:44酵素裡的胺基酸相互串在一塊
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2:44 - 2:45如珍珠項鍊一般
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2:45 - 2:48每種酵素的特性和相異之處
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2:48 - 2:52取決於這條項鍊裡有哪些字母
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2:52 - 2:56還有這些字母的排列順序
和拼出來的樣子 -
2:56 - 2:58這一串胺基酸
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2:58 - 2:59或說這一串項鍊
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3:00 - 3:01會摺疊成更繁複的結構
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3:01 - 3:04如果把凝乳酶放大到分子大小
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3:04 - 3:06也就是此處的酵素
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3:06 - 3:08會是長這個樣子
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3:08 - 3:11滿是纏繞的線段和扭曲的螺旋
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3:11 - 3:13並且一定得要是如此結構
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3:13 - 3:15酵素才能正常運作
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3:15 - 3:18現代科技能透過細菌或酵母
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3:18 - 3:21這樣的微生物製造酵素
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3:21 - 3:23要製作我們有興趣的酵素時
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3:23 - 3:26需要擷取酵素原出處的 DNA
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3:26 - 3:28將其植入微生物之中
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3:28 - 3:31接著微生物會用自身的機制
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3:31 - 3:33為我們製造出酵素
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3:33 - 3:35所以如果今天需要凝乳酶
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3:35 - 3:36就再也不需要一整頭牛
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3:36 - 3:38只需微生物即可
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3:38 - 3:39我認為更有趣的是
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3:39 - 3:42現在我們可以植入
任何特製的 DNA 序列 -
3:42 - 3:43我們也能創造出來
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3:43 - 3:46大自然中沒有的酵素
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3:46 - 3:48對我來說，真正好玩的地方是
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3:48 - 3:50試著設計出有新用途的酵素
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3:50 - 3:53排列著微小的物質
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3:53 - 3:57從大自然取得酵素、
任意移動胺基酸、 -
3:57 - 3:59修飾那些英文字母、
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3:59 - 4:01把一些字母放進去、又取一些出來
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4:01 - 4:03或是稍微更動順序
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4:03 - 4:05這些動作就好像是找一本書來
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4:05 - 4:08接著改編一些章節或修改結局
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4:09 - 4:112018 年，諾貝爾化學獎就是頒發給
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4:11 - 4:13發展相關技術的科學家
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4:13 - 4:15這項技術也稱為定向進化
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4:16 - 4:20現今人們可以操控定向進化
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4:20 - 4:22為了特定目的設計酵素
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4:22 - 4:27其中也有些設計能應用在新的領域
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4:27 - 4:28像是洗衣服這件事
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4:28 - 4:30就像是身體裡的酵素
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4:30 - 4:32幫忙分解吃下去的食物一樣
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4:32 - 4:34洗衣精裡的酵素
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4:34 - 4:37會幫忙分解衣服上的污漬
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4:38 - 4:40其實洗衣服消耗的能源
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4:40 - 4:43有百分之九十都用在加熱
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4:43 - 4:45這其實不無道理
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4:45 - 4:47熱一點的水能讓衣服更乾淨
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4:47 - 4:50但是如果用冷水就能把衣服洗乾淨呢？
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4:50 - 4:52那絕對會省下一筆錢
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4:52 - 4:53除此之外
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4:53 - 4:55根據寳鹼公司的計算結果
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4:55 - 4:59如果全美國的家庭都用冷水洗衣服
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4:59 - 5:04每年能減少排放 32 公噸的二氧化碳
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5:04 - 5:05這是個龐大的數字
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5:05 - 5:09大約相當於六百三十萬輛汽車的排放量
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5:10 - 5:12那我們該如何設計酵素
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5:12 - 5:13來讓這些改變實現呢？
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5:13 - 5:16酵素並沒有進化出洗衣服這個功能
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5:16 - 5:18更別說用冷水洗了
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5:18 - 5:21但若是在大自然找找
還是能發現出發點 -
5:21 - 5:24我們在黏土中找到一種酵素
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5:24 - 5:26能有初步的反應
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5:26 - 5:29螢幕上是個例子
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5:29 - 5:32我剛提到，我們可以操縱這些胺基酸
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5:32 - 5:34把一些字母放進去、取一些出來
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5:34 - 5:35或是更動順序
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5:35 - 5:38如此能製造出數以千計種類的酵素
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5:38 - 5:41我們可以把這些酵素
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5:41 - 5:44放在細胞培養盤中
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5:44 - 5:47我手中的這一個
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5:47 - 5:49有 96 個細胞培養孔
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5:49 - 5:51每個培養裡都放進了一塊布料
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5:51 - 5:53上頭沾有污漬
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5:53 - 5:55我們便能夠測量，哪幾種酵素
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5:55 - 5:58比較能夠把污漬從布料除去
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5:58 - 6:00藉由這個方法
便能瞭解酵素是否有效 -
6:00 - 6:03我們也能應用自動化技術
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6:03 - 6:04像是螢幕上這樣
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6:07 - 6:10我們發現有些酵素
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6:10 - 6:13跟一開始相比沒什麼進展
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6:13 - 6:15這樣就是無特別之處
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6:15 - 6:18有些表現得更糟
所以我們也拿掉了 -
6:18 - 6:19有些表現得很好
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6:19 - 6:22這些成效較佳的酵素
便是我們的第一個版本 -
6:22 - 6:24我們會繼續研究這些酵素
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6:24 - 6:26也會持續重複這些步驟
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6:26 - 6:30這樣的循環讓我們能找出新的酵素
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6:30 - 6:32且能達到我們想要的目的
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6:32 - 6:33經過幾番嘗試後
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6:33 - 6:35我們真的有所發現
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6:35 - 6:39而就是因為這些酵素
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6:39 - 6:43現在超市可以買到冷衣精
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6:43 - 6:45我想讓各位看看這一組酵素
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6:45 - 6:48跟剛剛的牛奶實驗相同
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6:48 - 6:50這邊有兩根試管
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6:51 - 6:55這一根試管我加了酵素進去
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6:55 - 6:56這一根裡面只有水
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6:56 - 6:58也就是對照組
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6:58 - 6:59試管裡什麼事都不會發生
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6:59 - 7:03你也許覺得用牛奶示範很奇怪
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7:03 - 7:07原因是牛奶有豐富的蛋白質
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7:07 - 7:11而因為酵素的主要工作
便是切斷蛋白質 -
7:11 - 7:15在蛋白質溶液中
要觀察酵素作用容易許多 -
7:15 - 7:17我把這倒進來
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7:18 - 7:22我剛說酵素很擅長切斷蛋白質
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7:22 - 7:26所以能推斷酵素在洗衣服時
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7:26 - 7:28跟在牛奶裡會有一樣的效果
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7:28 - 7:30所以這個方法讓大家
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7:30 - 7:32能想像洗衣服時會發生什麼事
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7:32 - 7:33倒進去之後
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7:34 - 7:38把試管封起來
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7:43 - 7:47跟剛剛的牛奶實驗一樣靜置一會
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7:47 - 7:49最後再帶大家看結果
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7:51 - 7:54目前設計酵素的能力到哪了呢？
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7:54 - 7:56進展一定會越來越快
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7:56 - 7:58如今要讓酵素進化有很多方法
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7:58 - 8:00跟今天的實驗相比
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8:00 - 8:02研究人員會有遠遠更多樣本做實驗
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8:02 - 8:04除了我們剛提到
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8:05 - 8:06能修補天然的酵素之外
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8:06 - 8:09科學家目前正嘗試設計全新的酵素
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8:09 - 8:13利用人工智慧的機器學習能力
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8:13 - 8:15找到設計方向
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8:15 - 8:19另外也能加入不那麼尋常的胺基酸
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8:19 - 8:23我們剛有提到 20 種
常見的天然胺基酸 -
8:23 - 8:25那些不尋常的胺基酸並非天然的
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8:25 - 8:28酵素因此會擁有
自然界物質缺少的特性 -
8:28 - 8:30這個領域很有發展性
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8:30 - 8:35那這些設計出來的酵素
未來對各位會有什麼影響呢？ -
8:35 - 8:37主要有兩個部分：
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8:37 - 8:39人體健康和自然環境
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8:40 - 8:43有些製藥商佈署了團隊
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8:43 - 8:45致力設計酵素
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8:45 - 8:49讓藥物更有效
並且減少使用有毒的催化劑 -
8:49 - 8:50像是 Januvia
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8:50 - 8:53這種治療第二型糖尿病的藥物
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8:53 - 8:55就有些部分是用酵素製造
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8:55 - 8:58未來想必會有更多藥物使用酵素生產
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8:59 - 9:00其他領域也是如此
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9:00 - 9:04有些疾病是源自
病人體內的酵素出了問題 -
9:04 - 9:08苯丙酮尿症就是個例子
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9:08 - 9:10患有此疾病的病患
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9:10 - 9:12無法代謝或消化苯丙胺酸
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9:12 - 9:16但苯丙胺酸又正好
在那 20 種常見的胺基酸之中 -
9:16 - 9:20苯丙酮尿症病人若是攝取到苯丙胺酸
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9:20 - 9:24智力容易會出現缺陷
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9:24 - 9:26這種疾病非常可怕
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9:26 - 9:28所以家長—
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9:28 - 9:31這邊有多少人有小孩？
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9:31 - 9:32很多人都有
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9:32 - 9:37因為美國規定嬰兒需要
經過苯丙酮尿症檢測 -
9:37 - 9:39所以各位可能對此有所瞭解
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9:39 - 9:42我還記得我兒子檢測時
腳跟被扎了一針 -
9:43 - 9:45這件事情棘手在於飲食
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9:45 - 9:49很多食物含有苯丙胺酸，難以避免
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9:49 - 9:52我兒子對花生過敏
這件事我非常頭痛 -
9:52 - 9:54苯丙酮尿症麻煩更是難以想像
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9:54 - 9:56然而，新的酵素
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9:56 - 9:59也許很快能讓
苯丙酮尿症病人盡情吃喝 -
9:59 - 10:02最近美國食品藥品監督管理局（FDA）
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10:02 - 10:03核准一款酵素，來治療苯丙酮尿症
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10:03 - 10:07這對病人來說是天大的好消息
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10:07 - 10:09對酵素替代療法領域亦是如此
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10:09 - 10:13因為許多問題仍亟待
靠著這個方法解決 -
10:15 - 10:17以上是健康方面的例子
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10:17 - 10:19接著說說環境問題
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10:19 - 10:22我之前讀到太平洋垃圾帶
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10:22 - 10:25也可以說是加州和夏威夷之間
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10:25 - 10:27有一座大型塑膠島
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10:27 - 10:31還有到處都有微塑膠
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10:31 - 10:32不免感到難過
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10:32 - 10:34塑膠問題短期之內無法解決
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10:34 - 10:36但酵素也許可以使上一些力
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10:36 - 10:38近期人們發現有一種細菌
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10:38 - 10:41能製造酵素、分解塑膠
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10:41 - 10:44大家也正盡力設計出
這種酵素更好的版本 -
10:45 - 10:47同時，我們不僅發現了一些酵素
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10:47 - 10:49還做出改良
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10:49 - 10:52這些酵素能夠製造出
非石油製、可生物分解的塑膠 -
10:53 - 10:56酵素也許還能在捕捉溫室氣體時
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10:56 - 10:57助我們一臂之力
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10:57 - 11:01像是二氧化碳、甲烷和一氧化二氮
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11:01 - 11:03解決這幾個問題很明顯是當務之急
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11:03 - 11:05也無不棘手
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11:05 - 11:07不過操縱酵素的能力
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11:07 - 11:09未來也許能
讓解決這些問題更容易 -
11:09 - 11:12我認為在這領域，酵素大有前途
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11:12 - 11:14現在請各位看看剛才的示範
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11:14 - 11:15這才是有趣的地方
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11:15 - 11:18我們先從凝乳酶開始
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11:20 - 11:22我拿到這邊來
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11:22 - 11:25各位可以看到
這一根試管裡是水 -
11:25 - 11:27所以牛奶沒有任何變化
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11:27 - 11:29這一管裡面有凝乳酶
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11:29 - 11:32各位可以看到裡面變得非常清澈
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11:32 - 11:34這些凝固的東西就是起司
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11:34 - 11:36在短短幾分鐘裡，我們就做出起司了
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11:36 - 11:41人們幾千年來就是一直
在應用這個化學反應 -
11:41 - 11:44我下一次辦公室親子日
也想做這個實驗 -
11:44 - 11:46不過小孩很難取悅，到時候再看看吧
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11:46 - 11:47（笑聲）
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11:47 - 11:50我們接著看這一根試管
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11:50 - 11:54這是洗衣服用的酵素
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11:54 - 11:58各位應該能看到
跟裝水的試管有所不同 -
11:58 - 11:59裡面也變得很清澈
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11:59 - 12:02各位洗衣服時想必也希望如此
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12:02 - 12:05我們都希望酵素是大胃王
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12:05 - 12:07吃掉所有蛋白質
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12:07 - 12:10因為衣服上的污漬就是各種蛋白質
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12:10 - 12:13像是巧克力牛奶、青草污漬
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12:13 - 12:16這種類型的酵素
可以幫忙洗掉那些污漬 -
12:16 - 12:18也能讓你用冷水洗衣服
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12:18 - 12:21減少碳足跡、又省錢
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12:25 - 12:28人類研究酵素有非常久的歷史
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12:28 - 12:31想想 7000 年前
就開始用酵素做起司 -
12:31 - 12:33到今天設計酵素的技術
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12:34 - 12:36我們正位於創意的轉捩點
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12:36 - 12:39我們能以酵素改寫大自然
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12:39 - 12:42甚至利用胺基酸創造出自己的故事
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12:43 - 12:45所以改天某個悶熱的夜晚
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12:45 - 12:48各位走出屋外，看到螢火蟲
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12:48 - 12:49希望各位會想到酵素
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12:49 - 12:52幫了我們很大的忙
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12:52 - 12:56透過設計，酵素未來還會有更多成就
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12:56 - 12:57謝謝
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12:57 - 12:59（掌聲）
- Title:
- 如何藉著設計全新的酵素來改變世界
- Speaker:
- 亞當．加爾斯克
- Description:
-
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亞當．加爾斯克（Adam Garske）是位化學生物學家，他認為：「若說 DNA 是生命的藍圖，那酵素便是執行指令的勞工。」這位科學家透過此次趣味的的演講暨示範，在台上表演酵素實驗，也展現了現今科學家是如何編輯、設計酵素，以達到治療類似糖尿病的疾病、打造節能的洗衣精，甚至是捕捉溫室氣體等特定目的。
- Video Language:
- English
- Team:
closed TED
- Project:
- TEDTalks
- Duration:
- 13:12
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Regina Chu approved Chinese, Traditional subtitles for How designing brand-new enzymes could change the world | |
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Regina Chu edited Chinese, Traditional subtitles for How designing brand-new enzymes could change the world | |
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Regina Chu edited Chinese, Traditional subtitles for How designing brand-new enzymes could change the world | |
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Regina Chu edited Chinese, Traditional subtitles for How designing brand-new enzymes could change the world | |
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易帆 余 accepted Chinese, Traditional subtitles for How designing brand-new enzymes could change the world | |
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易帆 余 edited Chinese, Traditional subtitles for How designing brand-new enzymes could change the world | |
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易帆 余 edited Chinese, Traditional subtitles for How designing brand-new enzymes could change the world | |
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Pei-Chen Benson Liu edited Chinese, Traditional subtitles for How designing brand-new enzymes could change the world |