攻城記

病毒體積小小，但每一部分都是設計用來感染其它細胞，繼而「繁殖」然後感染其它細胞。它們就像當年的蒙古軍隊一樣，攻城，破城，擴大版圖。我們的細胞就像一個有多重守衞的城；病毒就是攻城的專家。孫子兵法中說：知己知彼，百戰不殆；我們現在就來看看它們的把戲！

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木馬屠城

相信大家都讀過木馬屠城記的故事吧。希臘人為了要攻特洛伊，造了一頭巨型木馬，把精兵藏在裡面，扮成禮物。特洛伊不以為詐，把木馬連同敵軍帶入城中，自取滅亡。

我們的細胞就像這個特洛伊城，城牆外有城門把關，平常很多貨物出出入入。城門的守衞會檢查送貨人的信物。如果信物跟城牆上的信物吻合，守衞就會讓貨物人城。很多病毒就是靠這一點進入細胞。它們的表面有很多不同的蛋白，作為假信物。細胞外也有很多蛋白，用作分辨來者是否可以進入細胞。病毒表面的蛋白就是可以跟這些細胞外的蛋白吻合，讓細胞以為它是真的貨物，打開門讓它進去。

打開門就算了，病毒表面的蛋白還可以當八達通使用。在細胞表面時，病毒會發送訊號到細胞入面告訴它「有大型貨物要送入細胞核，麻煩安排交通」。細胞入面不疑有詐，安排大隊人馬擁護，派出車隊，送它上細胞入面的公路，大步大步往細胞核心進發。

記得它嗎？可愛的驅動蛋白。但其實往細胞核進發的是動力蛋白(dynein)。Image source

變型

成功入城後，在往細胞核的途中，就是發難的時機了。由於病毒被「車隊」(endosome)包圍，要發難也不是那麽容易。可是厲害的是，隨着endosome內的酸度愈來愈高，病毒表面的蛋白竟然變型，繼而突圍而出。這麽刺激的事當然要去片：

（變型由大約0:40開始看）

以上片段只是登革熱病毒的技倆，其它種類的病毒當然有其它辦法了。

騎劫

病毒為甚麽可以這麽小型，卻能造成大破壞？因為它們很會騎劫受侵略的細胞，用細胞內的機器和資源去幫它們大量複製。病毒可以用各種方法去停止細胞內的蛋白製造工場﹣核醣體(ribosome)製造細胞本身的蛋白，而去造病毒自己的蛋白。這樣的騎劫很有效，幾乎可以令細胞停止本身的運作，用所有資源去幫病毒複製。

再下一城

複製好零件，打包成新的病毒後，是時候要離開去攻下一個細胞了。這時候細胞已經力不從心，只能等死了（其實它們死前會盡力通知其它細胞，或是跟病毒同歸於盡，日後有機會再講）。有些病毒會直接「爆」出去，而其他的則會施施然走上細胞內的出城公路出去，臨離開時還要從細胞膜拿一點用來包裝，真的有風駛盡𢃇。

你有張良計，我有過牆梯

當然我們的細胞和免疫系統不會坐以待斃了。所謂「你有張良計，我有過牆梯」，免疫系統和病毒的關係就像蝙蝠俠與小丑一樣，千百萬年來鬥智鬥力，但沒有一方是完全勝利的。以後有機會談一下我們的免疫系統怎樣打這場仗。

以下的TED education 影片大約介紹了雙方的手法：

資料來源／延伸閱讀

The road to chromatin — nuclear entry of retroviruses
Multiscale perspectives of virus entry via endocytosis

還記得櫻花再開

最近很多人都到日本賞櫻。你有想過為甚麽那麽多櫻花樹，全部都在同一時間開花呢？植物是怎麽知道是時候開花的？

開花的時間對植物很重要，因為開花是為了繁殖，太早開花的話，沒有昆蟲幫助播種，浪費能量； 太遲開花的話，可能就趕不及在天氣變涼前結果了。所以在適當的時間開花是生死悠關的事。

植物主要靠白晝的長度去知道「春天來了，是時候開花了。」

生理時鐘

你大概知道我們人類有生理時鐘，甚麽時候會想睡覺，甚麽時候比較精神，都有一個大約24小時的週期。植物也一樣，有大概24小時週期的生理時鐘。這個生理時鐘不太受外來刺激影響，所以無論冷暖光暗它的週期都是一樣。植物就是靠外來刺激和其內在生理時鐘的配合去「量度」晝夜的長短。

等訊號

負責開花的一組基因FT（FLOWERING LOCUS）平常是在「沉睡」的，沒有適當的訊號不會起動。而去打開FT的開關的是一種叫CO（CONSTANS）的蛋白質。

CO --> FT --> 開花

可是，雖然植物細胞會在白天做CO蛋白，可是在一般情況它都會被「吃掉」，所以都是不會開花。

要量度白晝的長度，就要有接收光線的感應器。用陽光來制造食物的植物當然不乏這樣的感應器。其中一種蛋白叫FKF1，在有足夠的光時會跟另一名為GI的蛋白結合。合體後的FKF1﹣GI 可以令細胞造更多的CO。FKF1同時可以保護造出來的CO不被分解。有足夠的CO，就能啟動開花的程序。

光 --> FKF1-GI --> CO --> FT --> 開花

天時地利人和

那只要有光就可以開花是嗎？不是！原來FKF1，GI 和 CO 都受植物的生理時鐘控制：FKF1和GI都只在下午近黄昏時分才出現，然後就會慢慢地被分解，直到第二天的同樣時間才再出現。在冬天白晝較短時，FKF1 和 GI 出現時已經沒有陽光，所以不能合體，也不能幫助製造 CO。只有在春天時白晝較長，FKF1 和 GI 出現時還有陽光，才可一起發揮作用，幫助開花。

左邊是冬天，白晝比較短。FKF1 在生理時鐘的影響下在下午稍後時才出現，出現時已經沒有陽光了。沒有吸收陽光的FKF1不能幫助CO的製造，所以不會開花。
右邊是春天，白晝比較長。FKF1和 GI 出現時還有太陽，能夠合體去幫助製造CO。有了足夠的CO，就能啟動開花的訊號了。（圖畫從http://faculty.washington.edu/takato/i.html 取材）

就是這樣，植物內部的生理時鐘（FKF1，和 GI 的製造）和外來刺激（陽光）要吻合才可以開花。名副其實的天時，地利，人和機制！

當然，不同的植物在一年中不同的時間開花，它們的生理時鐘也不一樣，但是科學家在幾種不同的植物中都發現類似的機制，顯示用內在生理時鐘配合外在刺激的原理是共通的。而且除了晝夜的長短外，還有其它因素如温度，養份等去決定開花的時間，但這些方面我們就比較不了解了。

你可能會說「花是漂亮，但用這麽多人力物力去研究這個好像沒有甚麽實際用途。」其實了解植物的生理機制對農業有很大幫助，能防止失收之餘還可以增加農產量。

下次出去賞花之餘，也欣賞一下開花背後聰明的原理吧！

資料來源／延伸閱讀

Imaizumi Lab

Molecular Mechanisms that Trigger Flowering in Spring

FKF1 and GIGANTEA complex formation is required for day-length measurement in ArabidopsisScience. Oct 12, 2007; 318(5848): 261–265.

Circadian Rhythm

細胞內的磨坊和摩打腳

記得小學時看過一集教育電視解釋人體怎樣消化食物。它用一座工廠來比喻：牙齒是切割機，胃部是攪拌等等。其實用機器來形容器官很貼切外，用來形容細胞入面的「零件」也非常恰當。下面為你介紹我們身體內最精密的機器。

在介紹它們前，請想一想這些機器有多細微。以製造「能量儲備」的ATP synthase 作例子，它的直徑大約為90nm (納米）。一根頭髮的直徑大約為100μm （微米），即是說一根頭髮的直徑可以放下一千多個 ATP synthase。

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1. F0F1 ATP synthase (ATP合酶)

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你吸的每一口氣，吃的每一口飯，（幾乎）都是為了餵這一部雙摩打發動機。我們身體內的能源儲備是一樣叫ATP（adenosine triphosphate）的化合物。就像你出國旅行要兌換外幣一樣，食物經過消化吸收後要「兌換」成ATP才能供身體使用，要這找換店就要ATP synthase＊。

這機器有兩個摩打：F0 和F1，兩個摩打由一個軸連接，另外有一個不動的定子(stator)把F0和F1固定。F0 同時是一個離子泵（ion pump）。食物經過分解後會用來泵質子（proton; H+）到線粒體（mitochondria）的內外膜中間的空隙（即是上圖中灰色以上的空間）。F0像水壩一樣，讓這些質子穿過來推動它。

質子通過F0會推動它旋轉，而連接F0和F1的軸（圖中藍色的axle）也會一起轉動，繼而攪動F1，變動F1的結構。F1結構的變動就提供了能量去製造ATP。

讀不明白？請恕小弟文筆拙劣，還是看看影片：

片中跟上圖畫的上下調轉。下面在轉動的是F0，跟它一起轉的就是軸，再上面被軸攪動的就是F1。周圍飛來飛去旳是ATP及其原料（ADP和phosphate）。F0的轉動，導致F1的結構改變，提供了能量製造ATP。跟磨坊用水力轉動水車，用其轉動的能力去磨麥一樣的原埋。我們人類不知不覺間抄襲了大自然的機器，到近幾年才發現呢！這影片其實是播慢鏡，F0每秒轉動150次！這不是機器是甚麽？

＊synthase 為製造東西的enzyme（酶）。來自古希臘文： synthesis, “a putting together; composition”；有 -ase 結尾表示它是一種enzyme。

2. motor proteins （馬達蛋白）

如果細胞是一個城市，馬達蛋白就是它的公共運輸系統。細胞城有兩種公路：微絲（actin filaments）和微管（microtubules）。細胞內有三類車在走：走在微絲上的有肌球蛋白（myosin），而走在微管上的就有驅動蛋白（kinesin）和動力蛋白（dynein），向相反方向走。這幾類馬達蛋白在細胞中都是用作運輸物料的。肌球蛋白同時負責肌肉收縮。

先看影片：

很可愛吧？片中的是驅動蛋白 (kinesin)，拉着大大的包袱(vesicle; 囊泡)在微管上從細胞中心大步大步的向外走。以下的影片解釋了它的兩條腿是怎樣運作的：

簡單來說，當前腳站穏時，後腳鬆開微管，前腿用力把後腿擺動到前面，成為新的前腿。重複這些動作就能向前走了。

動力蛋白（dynein）跟驅動蛋白 (kinesin)走相反方向，但由於動力蛋白大很多和比較複雜，目前我們還不太清楚它是怎樣走的。其中一個可能是這樣有點像穿跟高踭的女士一擺一擺的走在微管上：

而肌球蛋白（myosin）跟驅動蛋白有點相似，都是用「站穏，用力向前擺動，放開」的運作原理:

跟上面的ATP synthase 影片一樣，這些都是慢動作的。驅動蛋白一秒鐘走50步，名副其實的「雙腿好似摩打」！

以上介紹的機器都比較簡單，都是做比較單一的動作。下次為大家介紹細胞內的影印機和紡織機。這些大型機器，有很多零件，很多「按扭」，複雜但設計精密，很引人入勝呢。

資料來源／延伸閱讀

Walker lab - ATP synthase

Myosin lecture

Kinesin lecture