就像回到家啊！」發現葉綠體蛋白質橋樑的李秀敏 - 國家地理雜誌

大家都知道光合作用是在葉綠體進行，但葉綠體有賴細胞輸入「蛋白質工人」才能正常運作。

中研院分子生物研究所特聘研究員李秀敏與其團隊， ... 「打開植物學課本，就像回到家啊！」發現葉綠體蛋白質橋樑的李秀敏-國家地理雜誌中文網 https://www.natgeomedia.com/science/article/content-8239.html?utm_source=natgeomedia&utm_medium=article&utm_content=Share_8239 請先登入 登入 科學與新知 環境與保育 歷史與文化 探索與冒險 旅遊 主題企畫 會員專區 會員中心 電子雜誌 特刊 相關連結 雜誌訂閱 最新書訊 活動 大石商城 少年科學俱樂部 全站搜尋 電子雜誌搜尋 AD 首頁 科學與新知 文章總匯 不錯過任何知識訊息，立即加入國家地理官方Telegram 防疫期間遠端工作，請利用客服信箱聯繫。

May. 24 2019 「打開植物學課本，就像回到家啊！」發現葉綠體蛋白質橋樑的李秀敏 李秀敏與她的研究團隊，由左到右為朱瓊枝、李秀敏、陳麗貞、陳奕霖。

他們手上拿的就是本次研究的主角：阿拉伯芥和豌豆。

攝影│林洵安 葉綠體有外膜和內膜，就像內外兩道城牆，中間隔了膜間隙，就像城牆之間的護城河。

過去科學家已經找到蛋白質進入外膜與內膜的轉運蛋白(內外城門)，並推測兩道城門應該有一座橋連接，讓蛋白質能順利跨越膜間隙(護城河)。

李秀敏團隊的貢獻就是找到這座橋：TIC236！圖片來源│中研院秘書處圖說設計│陳昶宏 過去科學家已經找到內、外膜上的轉運機組的許多成員，實驗上也證實兩機組應該是相連。

怎麼證實的？科學家從豌豆苗分離出葉綠體，利用和膜上機組成員對應的抗體，將膜上的機組成員拉下來，看看能不能把內外膜機組成員一起拉下來。

李秀敏解釋：「用抗體從外膜拉，TOC和TIC會一起被拉下來，用抗體從內膜拉，兩者也一起被拉下來，所以知道彼此間一定有一座橋相連。

」然而科學家始終找不到那座「橋」。

資料來源│李秀敏圖片重製│林洵安 豌豆葉片上的葉綠體與根部的白色體，兩者都是植物的色質體分化而來，所以結構很相似，一樣都具有內外膜的橋樑：TIC236。

圖片重製│林洵安 阿拉伯芥的野生株(左)以及TIC236基因表現量減少的突變株(右)，突變株有發育不良或葉子缺刻等狀況，表示若缺少TIC236這座橋，葉綠體無法正常運作。

圖片來源│李秀敏 1 葉綠體的蛋白質橋樑 大家都知道光合作用是在葉綠體進行，但葉綠體有賴細胞輸入「蛋白質工人」才能正常運作。

中研院分子生物研究所特聘研究員李秀敏與其團隊，花了七年的時間，找到能讓蛋白質穿越葉綠體外圍雙層膜的橋樑TIC236，解開葉綠體運作的大謎團，更發現這套運輸系統從遠古細菌一直沿用到高等植物，是植物演化學的重大突破，論文於2018年12月登上《自然》(Nature)，並獲專文推薦。

李秀敏與她的研究團隊，由左到右為朱瓊枝、李秀敏、陳麗貞、陳奕霖。

他們手上拿的就是本次研究的主角：阿拉伯芥和豌豆。

攝影│林洵安 踏入李秀敏的實驗室，窗邊桌面是綠意盎然的植物，牆上貼著玉米品種演化和花草彩繪海報，拍照時，研究人員搬來幾株植物一同入鏡，這間研究室與植物很親密！問起為何投入葉綠體的研究？李秀敏想了想：「嗯，還真有點故事呢！」 就是愛植物！ 她從小住在臺中眷村，孰悉巷弄裡的每一株植物，還會幫它們取名字。

高中時成績很好，卻不想唸醫科，填志願時按照分數將臺大動物系填前面、植物系放後面。

她笑著說：「小時候不知天高地厚，認為植物可以自己唸，動物比較不喜歡，請老師教，這樣就兩門都會。

」 結果，唸動物系第一年，她就發現不對勁！解剖青蛙時，她覺得有些蛙骨沒用就扔了，沒想到每個骨頭都有名字；其他對動物有興趣的同學，對蛙骨卻如數家珍。

雖然成績是班上第一，但她唸得很痛苦。

直到大二開始上普通植物學這門課，當課本發下……我就有回到家的感覺，我有興趣的東西都在裡面！ 李秀敏決定轉系，將動物系的課全退掉，選修植物系的課。

她跑去找動物系主任簽名，主任皺著眉頭說：「你要簽切結書，如果沒法順利畢業，要自己負責！」 她又跑去找植物系的教授加選課程，教授也十分驚訝：「從來沒人從動物系轉到植物系，你確定嗎？」期末成績出爐，她得到最高分，終於在大三時，如願轉入植物系。

後來赴美留學，一開始她也不是研究植物，而是挑了酵母菌、藍綠菌和動物細胞的三個實驗室輪流實習，但內心始終無法滿足。

她回憶：「某天我在想，如果要花生命中最精華的四、五年寫一本博士論文，我會做酵母菌或動物嗎？不可能！一定是做植物。

」後來，研究藍綠菌的老師建議她去一間研究葉綠體的實驗室，她的博士論文就在那間實驗室完成。

從此，她的人生就跟「葉綠體蛋白質運輸」這個題目，結下不解之緣。

葉綠體蛋白質運輸 說到葉綠體，李秀敏就像聊起老朋友般熱絡：「一般人對葉綠體的印象只是行光合作用，其實它還有許多功能，身世也很有趣。

」 遠古時期，有顆單細胞動物吞下了藍綠菌，藍綠菌變成細胞內的葉綠體，從此演化出植物這個大家族。

植物細胞更將細胞質的許多功能轉交給葉綠體執行。

李秀敏說，如果把植物細胞看成一座城市，細胞內的葉綠體就像是一間間「城市農園」，除了行光合作用製造養分，還要負責製造必需胺基酸、脂肪酸和荷爾蒙等物質。

農園，當然需要工人囉！「葉綠體農園」在運作時，需要許多具有特殊功能的蛋白質，但這些「蛋白質工人」，大部分都是由植物細胞的細胞核下令、在細胞質製造完成後，才送入葉綠體工作。

問題來了！葉綠體外表有外膜和內膜，就像兩道城牆，中間還隔著一道膜間隙，就像護城河。

那麼，蛋白質工人到底是如何順利的進入葉綠體的呢？這就是「葉綠體蛋白質運輸」的謎題，困擾了科學家數十年。

葉綠體有外膜和內膜，就像內外兩道城牆，中間隔了膜間隙，就像城牆之間的護城河。

過去科學家已經找到蛋白質進入外膜與內膜的轉運蛋白(內外城門)，並推測兩道城門應該有一座橋連接，讓蛋白質能順利跨越膜間隙(護城河)。

李秀敏團隊的貢獻就是找到這座橋：TIC236！圖片來源│中研院秘書處圖說設計│陳昶宏 繞了一圈，回到最愛！ 雖然她覺得葉綠體研究很有趣，但博士後為了拓展視野，她又拐了一個大彎，找了一個當紅的、研究植物光反應的實驗室。

後來，她因緣際會飛去德國一個實驗室做研究，不料剛下飛機的第二天，騎腳踏車時摔斷了手！ 她在醫院收到美國研究室傳來的植物光反應的實驗結果，心情很沮喪、根本不想看，就將紙翻面，沙沙沙寫下博士班沒完成的葉綠體題目……。

「又來了！你又忘記該追求自己的興趣。

」她立刻寫信給博士後的老闆，放棄那個當紅的題目，回去研究最愛的葉綠體，從此再也不動搖。

「我現在常跟學生講，一定要追求自己的興趣，這樣才不會覺得累，可以一直做、一直做。

」李秀敏微笑總結。

  藏在葉綠體內外膜的謎團 回到這次的研究，李秀敏發現的葉綠體蛋白質橋樑，為什麼引起學界震撼？ 早期研究已經知道，要進入葉綠體的蛋白質會攜帶一段特殊信號，就像帶了「識別證」，內外膜上有轉運機組，就像膜上的城門，能夠辨識信號並讓蛋白質通過。

歷經二十多年研究，科學家已陸續發現轉運機組的成員，並將外膜的轉運機組稱為TOC，內膜的轉運機組稱為TIC。

但近年來，科學家陷入瓶頸：他們發現蛋白質會同時穿越葉綠體的內外膜，可是中間隔著寬闊的膜間隙(護城河)，蛋白質是怎麼穿越的？所以TOC和TIC這兩道「城門」之間，應該有一座「橋」相連，實驗上也支持這個看法。

於是全世界有十幾個實驗室都嘗試想找到這座橋，李秀敏的實驗室則在2018年宣告破解這座神祕的橋樑：TIC236。

過去科學家已經找到內、外膜上的轉運機組的許多成員，實驗上也證實兩機組應該是相連。

怎麼證實的？科學家從豌豆苗分離出葉綠體，利用和膜上機組成員對應的抗體，將膜上的機組成員拉下來，看看能不能把內外膜機組成員一起拉下來。

李秀敏解釋：「用抗體從外膜拉，TOC和TIC會一起被拉下來，用抗體從內膜拉，兩者也一起被拉下來，所以知道彼此間一定有一座橋相連。

」然而科學家始終找不到那座「橋」。

資料來源│李秀敏圖片重製│林洵安 好運，是留給準備好的人 為什麼大家一直找不到，李秀敏的團隊卻能？因為他們突破了過去實驗的思考框架：不從葉綠體下手，而是研究白色體！ 白色體和葉綠體，都是由植物細胞的色質體分化而來，所以結構很相似，只是在葉子為了行光合作用，變成含有葉綠素的葉綠體，在根部不行光合作用，變成不含葉綠素、無色的白色體，用來儲存養分。

豌豆葉片上的葉綠體與根部的白色體，兩者都是植物的色質體分化而來，所以結構很相似，一樣都具有內外膜的橋樑：TIC236。

圖片重製│林洵安 過去科學家用葉綠體做實驗，分析葉綠體內成分。

但葉綠體有許多跟光合作用有關的蛋白質，用質譜儀分析時，它們的量很大、訊號強，TIC236因為很容易被水解、訊號弱，會被掩蓋。

但李秀敏用白色體做實驗，沒有上面說的大量葉綠體的蛋白質干擾，TIC236才有機會現身。

妙的是，當初李秀敏和團隊一開始研究白色體，也不是為了尋找內外膜之間的這座橋，而是想要知道白色體內外膜的轉運機組是否跟葉綠體一樣，想用在作物改良上。

她請團隊成員朱瓊枝取下豌豆根、分離出白色體，分析膜上的轉運機組成員，結果意外看見一個新面孔：TIC236！ 李秀敏立刻上網搜尋，找到一篇論文提到大腸桿菌的雙層膜之間也有個作為橋樑的TamB蛋白，居然跟TIC236的序列相似，換句話說，TIC236可能與TamB一樣具有「橋樑」的功能。

「莫非TIC236就是葉綠體外、內膜間的橋樑？」李秀敏敏感的聯想。

她說：「好運是留給準備好的人。

那天搜尋到它跟大腸桿菌的TamB橋樑蛋白很像時，我已經知道大概是什麼樣的故事，但要有本事去證明。

」 破了一關，又一關 她先請團隊成員陳奕霖去研究：TIC236基因是否在葉綠體裡也很重要？查資料庫後發現，TIC236基因在阿拉伯芥全株都有表現，一旦基因被破壞，植株就會死亡，但過去科學家並不清楚這個基因的作用。

阿拉伯芥的野生株(左)以及TIC236基因表現量減少的突變株(右)，突變株有發育不良或葉子缺刻等狀況，表示若缺少TIC236這座橋，葉綠體無法正常運作。

圖片來源│李秀敏 接下來，如果能證明TIC236和外膜通道蛋白TOC75真的相連，就能證明TIC236是連接內外膜轉運機組的橋樑了！陳奕霖用了一個很短的化學交聯劑做實驗，它的兩端可以分別和不同的氨基酸相黏。

如果TIC236和TOC75都被它黏住，表示兩者距離非常非常接近，應該是相連的。

結果，實驗成功了！ 但好事多磨！當時有個德國研究團隊已經發表論文，認為葉綠體外膜通道TOC75在演化過程中已翻轉了180度。

李秀敏很詫異：「如果TOC75真的已翻轉，TIC236就不可能和TOC75相連！」因此他們又繞了一大圈，花上兩年重複德國的實驗，終於證實他們是錯的。

蛋白質啊！你可不可以跑快一點 最後，怎麼讓大家「眼見為憑」：在TIC236基因表現量減少的突變株中，TOC和TIC轉運機組的複合體含量真的會減少？這要透過凝膠電泳並拍照。

方法是：通電後，各個蛋白質會按分子大小和性質等，分別在凝膠上移動，就像賽跑般有快、有慢，藉此可將它們分開，一個個在凝膠上現形，就能一眼看出它們的多寡，又稱為跑膠。

一般蛋白質的分子量小，容易跑膠，但TOC和TIC轉運機組的複合體很大，在膠上跑不動。

她說：「那時做這個真的快抓狂！那不是一般的膠，超難跑的！每個周末我都坐在研究室思考怎麼改進。

」她和陳麗貞花了近兩年，終於完成這項艱鉅任務。

歷經七年的實驗抗戰，總算蒐集到充分證據，他們終於證明TIC236的確是葉綠體內、外膜之間的橋樑通道，並證實了這套運輸系統從最早的細菌一直保留至今，是植物演化學上的一大突破！論文獲登國際知名期刊《自然》（Nature），還得到編輯專文推薦。

李秀敏笑著解釋：「這個蛋白質很難做，我們有辦法找到，並證明它如同我們想像的，是從低等細菌一直保留到高等植物，是我們厲害的地方！」問到為什麼這次研究如此有創意，她頓了頓，認真的說： 這次的突破並非創新或天才想法，而是一步步、按部就班，並加上團隊的通力合作才能完成。

基於天生對植物的熱愛與長年的紮實研究，終於讓李秀敏發現這座葉綠體不可或缺的生命之橋。

一直在這個問題上努力不懈的她，也宛如一座橋，引領我們探索植物生命的奧妙。

  採訪編輯｜歐宇甜 美術編輯｜林洵安 本文轉載自《研之有物》，一個串聯您與中央研究院的科普橋梁。

#葉綠體 #研之有物 #李秀敏 #中研院 MAY.2022 拯救瀕危森林 森林是保護地球的關鍵，如今卻亟需我們幫助 AD 熱門精選 科學與新知｜ Jun.132019 鱈魚不是鱈魚？多利魚也不是多利魚？所以你到底吃了什麼魚？ Read 環境與保育｜ Jul.092018 誤會大囉！龐貝古城的無頭屍終究不是被砸死的 Read 科學與新知｜ May.282019 喝酒臉紅易罹癌？小時候家裡窮會胖？統計學家黃彥棕來解答 Read 環境與保育｜ Jan.202020 長江白鱘宣告絕滅 Read 環境與保育｜ Oct.022018 水母體內出現的菸盒塑膠膜，最終可能被我們吃下肚？ Read AD 相關推薦 科學與新知｜Jun.102021AI助陣醫學、防疫，個人隱私難兩全？Read 環境與保育｜Oct.082019撿屍護生態！路殺社八年成就解鎖Read 環境與保育｜Apr.272021進擊的巨大汙染！解析海漂垃圾的全球分布──專訪鄭明修Read AD Subscribe 立即訂閱 keyboard_arrow_up AD