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陳壁彰副研究員專訪|中央研究院 應用科學研究中心

 

圖一、陳壁彰老師。圖片來源:陳壁彰老師提供。

陳壁彰老師學經歷

  • 國立臺灣大學化學系 / 學士 (1997-2001)
  • 國立臺灣大學化學系 / 碩士 (2001-2003)
  • Department of Chemistry and Biochemistry, The University of Texas at Austin, USA  / PhD (2006-2011)
  • Howard Hughes Medical Institute/Janelia Farm Research Campus, USA / Postdoctoral Associate (2011-2014)
  • 中央研究院應用科學研究中心 / 助理研究員 (2014-2020)
  • 中央研究院應用科學研究中心 / 副研究員 (2020-迄今)

研究之始與學思歷程

陳壁彰老師踏入光學研究的機緣是從博士班開始,當時的研究主要使用拉曼光譜進行化學結構的分析,雖然用到很多新的光學概念去操作雷射與鏡子,仍時常需要連結陳老師舊有的化學系背景知識來解釋結果,屬於物理化學領域。他也回想當初錄取UT Austin博士班的制度,是要直接選擇指導教授與領域,雖然少了輪轉體驗不同實驗室的自由,但也能更早開始專注在自己的研究上。

詳細來說,陳老師在博士期間主要是進行同調反史托克拉曼散射(Coherent Anti-Stokes Raman Scattering Microscopy)的研究,應用於生物結構如蛋白質等等的結構分析。但因為拉曼光譜的訊號實在太弱(大約是螢光訊號的10-12),後來實驗引進非線性拉曼,用很多道雷射共同刺激以達到更高的訊號,即使如此也在當時比較難達到可以應用的程度。

接著在博士後研究時,陳壁彰老師轉換到Eric Betzig主持、也就是後來以超解析螢光顯微鏡(superresolved fluorescence microscopy)研究共同獲得2014年諾貝爾化學獎的實驗室,當時陳老師開發的晶格層光顯微鏡(圖二),也變成他一路鑽研至今的擅長領域。起初陳老師在研究開始後努力了一年半都沒有重大突破,甚至被Eric Betzig建議換題目,但他決定再堅持一個月就好,也就在那一個月的努力下成功建立整個光路系統。取得這個重大的成果促使陳老師在中研院的邀請下回國工作,繼續層光顯微鏡相關的研究。回想當時的艱辛,陳壁彰老師覺得那是個早8晚12、單純、辛苦但快樂的研究環境,因為機構的配置讓研究人員的食衣住行育樂全部可以在實驗室附近滿足,也因此有更多時間做研究。

圖二、層光顯微鏡的配置。a:激發(黃色)和檢測(紅色)的光錐在一個蓋玻片上的樣品共同聚焦。b:層光晶格(藍綠色)與細胞(灰色)相交,產生單一平面的螢光(橘色),細胞經過層光掃描後可組合成3D影像。右圖:在一般晶格振動模式(c)或者3D PALM顯微鏡下經層光激發後(d)拍攝的細胞核。比例尺在c和d的上方圖為2微米,在下方的放大框中為1微米。圖片來源修改自:https://www.science.org/doi/10.1126/science.1257998。

實驗室當前的研究主軸

在陳壁彰老師建立自己的實驗室後,除了持續優化晶格層光顯微鏡之外,也決定引入膨脹顯微鏡(ExM, Expansion microscopy)的發展方向,希望將光學顯微鏡的解析度增加到能夠與電子顯微鏡同台競技的程度。膨脹顯微鏡其實是一種樣品製備的技術,透過聚合物骨架固定生物樣本上的螢光標記,加水膨脹後,標記之間的距離等比例放大,原本顯微鏡下聚成一團的兩個螢光分子被拉扯開來後,就能增加解析度。例如以往用顯微鏡觀察 1 微米大小的神經突觸,在顯微鏡下可能只有7、8個像素,但是透過樣品膨脹的方法,可以把解析度提升約60倍,就可能得到上百個像素的解析度,若在細胞尺度觀察也能看到奈米等級的細微結構(圖三)。陳老師認為光學顯微鏡最大的優勢是可以直接進行3D結構的觀察,相較之下,電子顯微鏡就必須固定後切片且更加昂貴。

圖三、膨脹顯微鏡(ExM, Expansion microscopy)的原理示意圖及應用。圖片來源:2022 中央研究院 院區開放主題科普演講 年輕優秀學者短講-當光鏡追上電鏡,取自https://www.youtube.com/watch?v=eJdAAcVIwC4。

技術開發完成 展望新研究領域

由於技術開發工作容易面臨技術範圍限制的瓶頸,也一直需要想辦法尋求合作應用在生物系統上,陳壁彰老師目前正規畫實驗室的階段轉型,將他已完成開發的晶格層光顯微鏡和膨脹顯微鏡結合生物知識,解答自己發掘的新生物問題。

陳壁彰老師透露,接下來可能會鎖定「章魚」這種神經機制很特別的動物。除此之外,實驗室目前已經和台北市立木柵動物園合作收集20多副死亡動物的腦,在非模式生物上的腦組織進行黑反應並結合實驗室現有的影像技術,進行神經、動物自體發光有關的研究。

而對於從個人實驗室到成為中研院層光顯微鏡核心設施的轉變,陳壁彰老師覺得最大的改變是核心設施經費來源較穩定,比較能請到長期的技師和博士後研究員,但當然也有收件量的壓力。與其他生物研究團隊的合作方式也有不小的改變,一開始試行單純收費收案的運作模式,但往往收到大量樣品,費時費力卻得不到好的數據。後來便希望以專案合作的方式為主,一開始就參與討論讓實驗的設計及進行能更有效率。

投入科普 翻譯高基傳記

陳壁彰老師除了在學術研究上取得豐碩成果,對於推廣科學也充滿熱忱,積極參與中研院院區開放和兒童科普日等活動,以演講、動手實驗等方式來介紹最前沿的科學技術。他甚至翻譯了1906年諾貝爾生理醫學獎得主高基(Camillo Golgi, 1843-1926)的傳記,將這位在細胞學、神經科學和醫學等多個領域都有重要貢獻的科學家引薦給台灣讀者。

陳壁彰老師回憶,他在高中、大學時就很喜歡閱讀諾貝爾獎得主的介紹書籍,不僅從中認識得獎者的研究內容,他們的生平軼事讀來更是饒富趣味,讓他嚮往未來能夠成為科學家。以前在台大化學系就讀時,每當有諾貝爾獎得主來台演講,陳老師還會衝上去請求合照或簽名,對科學研究有滿滿的憧憬。

但陳壁彰老師也笑說,曾經覺得仰之彌高的大科學家,成為在身旁吃東西、穿著短褲拖鞋的同事後,他發現科學家們其實也沒有那麼高不可攀。不過,知道這些科學家究竟如何成長至今的故事,仍是非常有趣!

傳記撰寫歷程

圖四、《被遺忘的諾貝爾獎神經科學家—高基》在2024年國際書展的推廣。圖片來源:劉又萱攝。

翻譯高基傳記的契機是緣起於2017年,陳壁彰老師和中研院物理所胡宇光老師的合作研究中,使用了高基發明的「黑反應」(black reaction)來將神經組織染色,這讓他想進一步瞭解高基的研究與生平。在多方查閱文獻後,陳壁彰老師興起翻譯高基傳記的念頭,希望更多人可以認識這位偉大的科學家。

大學時編輯系刊、舉辦營隊的經驗,讓陳壁彰老師提早認識了不同領域的知識也與系上老師熟識,同時訓練了文章寫作的文筆,在與大學同學重聚後就決定要合作翻譯此本書。經過傳記版本更新的一波三折,歷經五年終於在2023年底由台大出版中心將此本傳記《被遺忘的諾貝爾獎神經科學家—高基》出版。

陳壁彰老師表示,其實早年的科學研究與當今有許多不同,這本傳記不僅將高基的人物故事生動地呈現出來,也能讓大家瞭解19世紀末與20世紀初期的研究環境與科學發展脈絡,相當值得一讀。

給年輕科學家的建議

陳壁彰老師鼓勵學生時代像海綿一樣多吸收知識,因為這些知識不知道在將來的什麼時候會用上。「做科學研究就是一種生活形式」,鑽研學術研究的同時,陳老師也鼓勵學子發展一到兩種個人興趣以調劑身心,像是他擅長於種植盆栽、打羽毛球,除了能讓自己在困惑時靜下心來,也可以成為家人間增進情感的橋樑。

對於從事生物研究的學生,陳老師也建議在操作生物實驗本身以外,也可以多去了解使用的研究技術並和相關專家溝通。以螢光顯微鏡來說,最基本的就是要知道原理是什麼?量測到的資訊是什麼?例如螢光的來源、吸收和發射波長等。接下來選擇顯微鏡時則要考慮不同技術適合使用的情境,例如共軛焦顯微鏡可能適合細胞層級的研究、更大的樣品可能需要不同的前處理等等。

延伸閱讀:【頭好壯壯的新款綠色螢光蛋白】

對於研究生投入科普寫作,陳壁彰老師認為可以利用自己做研究時所讀過的英文科學文獻作為主要的背景知識,將艱澀的科學知識消化吸收後,多多結合自己的觀點來編譯、撰寫科普文章,不需要去害怕陳述錯誤。

「做每件事不要輕易放棄」是陳壁彰老師總結目前人生經歷給後輩的建議,曾經在研究路上遭遇挫折、不被肯定的他,認為只要認真對待每個遇到的問題,即使最終沒有轉化出期望的成果也是經驗的累積。最重要的是,要重視成品的品質,就算沒有得到別人的認同也不該輕言放棄!

圖五、The investigator採訪團隊與陳壁彰老師合影

參考文獻:

  1. Chen, B.-C. et al. Lattice light-sheet microscopy: Imaging molecules to embryos at high spatiotemporal resolution. Science 346, 1257998 (2014). https://www.science.org/doi/10.1126/science.1257998 
  2. Wang, U.-T. T. et al. Protein and lipid expansion microscopy with trypsin and tyramide signal amplification for 3D imaging. Sci Rep 13, 21922 (2023). https://www.nature.com/articles/s41598-023-48959-9

採訪及撰文|葉國掄、劉又萱、張智婷、劉馨香
審稿|陳壁彰老師

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葉 國掄

葉 國掄

熱愛拉麵與科學的陽明交大藥學系學生,先後打滾於iGEM、奈米劑型、天然物的實驗室,目前在台大/中研院進行免疫細胞治療的研究。希望能在investigator與大家互相分享新知!

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You Hsuan Liu 劉又萱

You Hsuan Liu 劉又萱

劉又萱,新北人,目前在中研院物理所研究細胞層次的微環境力學,希望在investigator能提升台灣學子在各個生醫領域學術理解的易讀性,同時讓自己練習面向大眾的文字表達。

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張智婷

張智婷

畢業於台灣大學生化科技學系,研究專長為人類皮膚相關疾病及中草藥天然物分析,期望透過Investigator認識更多生醫領域愛好者並推廣生物科學。

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劉馨香

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自陽明大學生科系畢業以來,持續在科學傳播的偉大航道探索。希望在Investigator平台介紹科學新知、協助傳承前輩經驗、報導科學界的新動態。

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