中央研究院化學研究所－學術研究
研究方向
化學所配合優質生活與永續社會願景，因應國際上基礎化學與永續材料、永續能源、永續生命等研究領域及「綠能科技」、「生技醫療」等創新研發計畫，擬定達成研究創新、學術卓越、永續發展的目標，將材料化學、合成化學、觸媒化學、化學生物學等領域列為重點研究方向，進行創新性研發。除了基礎科學研究，同仁也著力於將研究成果進行專利佈局及技術轉移。藉由執行國家型計劃，化學所亦致力於運用創新科技對台灣社會面臨的環境、能源、健康議題提供前瞻技術。
一、材料化學研究
有機光電材料的應用與奈米材料的設計開發是化學所材料化學的重點研究方向，多個相關次領域的研究成果在國際上佔有重要的學術地位。主要研發成果包括應用在有機發光二極體的高效能藍色螢光有機材料、結合金奈米粒子與五環素所構成有機場效電晶體、首次製作出穩定的六環素單晶材料所構成的有機薄膜電晶體、成功設計製備出罕見巨型單壁金屬有機管狀奈米材料、將金屬有機結構的應用推展至光電材料及半導體材料，以及開發多種高效能材料應用於染料敏化、鈣鈦礦和有機光伏電池。另外，智慧應答分子、核殼奈米材料及生物材料也是研發的重點。最近重要成果報導之一為：藉由仿生結構設計，開發了適合生物機電介面電極的新穎導電高分子，用其組成奈米薄膜可獲得奈米生物電子界面，在此界面上利用電刺激的方式，可讓神經突觸有前所未見的增生效果。
二、化學合成方法開發及新穎催化反應
近年來，隨著能源催化及綠色合成化學技術需求，本所合成化學及觸媒化學研究也整合成為跨領域的研究團隊推動尖端合成及催化反應的技術發展及應用。目前，合成化學領域重點為合成方法開發及藥物合成，觸媒化學則以替代能源相關催化反應為主軸。本所近年在化學催化及合成領域代表性研究成果包括：(1) 合成方法學：鋰化矽醚建構苯環上鄰位羥基之酮類化合物，微波輔助一鍋化合成脫水醣及具位置選擇性保護基的硫苷醣，合成智慧型螢光探針應用於生物正交醣類標定 ; (2) 配位化學：新穎氮異環碳烯的合成及超高活性的金屬錯合物催化反應，新穎紫質錯合物應用於小分子活化，生物工程改變細胞色素及烷基羥基化酵素用以研究烷類至醇類轉換 ; (3) 替代能源催化：高效率氫氣製備及反應機構研究， 孔洞材料嵌入三銅錯合物進行甲烷至甲醇活化，木質纖維素分解及高值化。除了基礎科學研究外，本領域同仁也積極將研究成果申請專利技術並有兩項技術分別技轉至國內化工廠及新藥開發廠商。
三、化學生物學 : 從前瞻材料與方法創新展望健康永續策略
從生化巨分子的結構層次解析生物體內細胞功能與其作用機制，進而瞭解這些複雜的機制在重要疾病中扮演的角色，衍生出可能的藥物與檢測/治療方法，是化學所在化學生物學發展的重點。目前本所化學生物學領域研究主題涵蓋 (1) 開發新穎生物材料及應用，(2) 發展化學探針與尖端影像技術及結構生物學技術，(3) 癌症、感染性疾病、神經退化疾病的致病機制及治療藥物開發，(4) 開發蛋白質體方法探索疾病標記。本所在這些研究領域近年來的研究成果包括發展以質譜儀技術為基礎之新穎膜蛋白體及磷酸化蛋白質體定量技術，闡釋疾病機制及應用於生物標記開發以熱響應性奈米魔鬼氈作為關鍵元件，研發循環腫瘤細胞萃取系統，有效便捷地從血液樣品中萃取癌細胞及進行基因檢測。本所同仁也將觸角伸入神經退化性疾病「蛋白質的異常摺疊」在的相關研究，首度發現漸凍人中 TDP-43 蛋白的 C 端胜肽片段所產生的類澱粉狀纖維，並建構出可以在活體細胞中誘發 TDP-43 蛋白異常聚集的光控探針。在研究巨分子結構和基因轉錄的機制方面，不但成功地應用螢光共振能轉移效率， 定位出核醣核酸聚合酶上的核醣核酸出口通道，更以冷凍電子顯微鏡解析 Gdown1 蛋白質透過新型立體干擾促進對調控哺乳類的轉譯作用之了解。本所同仁亦成功建立以紅外線活化的激酶-上轉換粒子平台以控制細胞內信號傳遞。
研究漸凍症中蛋白質凝聚的新工具：用光控分子探針調節細胞內蛋白質的凝聚體
Breakthrough in ALS Research: Light-Activated Molecular Tool Controls Protein Behavior in Cells
Nat. Commun. 2024, 15, 5686.
Hao-Yu Chuang, Ruei-Yu He, Yung-An Huang, Wan-Ting Hsu, Ya-Jen Cheng, Zheng-Rong Guo, Niaz Wali, Ing-Shouh Hwang, Jiun-Jie Shie & Joseph Jen-Tse Huang *
在細胞內生物分子的凝聚體(condensates)是很小的液滴，對於調節體內的化學反應扮演著重要的功能。如果這些液滴的性質發生改變，可能會導致疾病。例如，會形成凝聚體的FUS蛋白就被發現和漸凍症(ALS)有關，因此了解細胞內的凝聚現象是一個重要的議題。然而，目前缺乏有效的工具來研究或是控制這些凝聚體。為了解決這個問題，中研院化學所的研究團隊發明了一種新的工具，能夠利用光來控制與漸凍症相關的蛋白質凝聚現象，為漸凍症的研究帶來了新的方向。
黃人則博士和他的團隊於近期創造了一種突破性的光控分子探針。該探針除了本身就能夠形成凝聚體外，也可以利用光照調控FUS蛋白凝聚體的流動性，讓研究人員能夠進一步觀察和控制這些蛋白質在細胞內的變化。結合光控探針與光學影像平台，團隊也發現了FUS蛋白的凝聚體在細胞質中的流動性對神經細胞的存活至關重要。此一發現也為開發漸凍症以及其他神經退化性疾病的治療方法提供了全新的思路。該實驗室長期致力於漸凍症的相關研究，他們也希望這項成果能夠增加大眾對於漸凍症相關研究的認識及支持。
這項研究由黃人則博士的團隊完成，莊皓宇博士生是第一作者，並與物理所的黃英碩博士和化學所的謝俊結博士合作。他們的發現於2024年7月6日發表在《自然通訊》（Nature Communications）期刊上。
期刊聯結：https://www.nature.com/articles/s41467-024-50025-5
Understanding how proteins behave inside our cells is crucial for advancing treatments for diseases like amyotrophic lateral sclerosis (ALS). Scientists at the Institute of Chemistry, Academia Sinica, have developed an innovative molecular tool that uses light to control the behavior of proteins associated with ALS, offering new hope for treatment.
Biomolecular condensates are tiny droplets within cells that play a key role in regulating chemical reactions. When these droplets don’t form or behave correctly, it can lead to diseases. For instance, the protein FUS forms condensates, and its malfunction is linked to ALS. Until now, scientists lacked effective tools to study and manipulate these condensates.
Dr. Joseph Jen-Tse Huang and his team have created a groundbreaking photocontrollable molecular probe that can change the state of FUS protein condensates from liquid to solid with light exposure. This allows researchers to observe and control how these proteins behave inside cells. Using this light-activated probe, the team discovered that the fluidity of FUS protein condensates in the cytoplasm is crucial for the health of neuronal cells. This insight opens up new possibilities for developing ALS treatments and understanding other motor neuron diseases.
Dr. Huang’s team, including first author Hao-Yu Chuang from TIGP-CBMB at Academia Sinica, collaborated with experts from the Institute of Physics and the Institute of Chemistry. Their findings, published on July 6, 2024, in Nature Communications, mark a significant advancement in the field. “We believe this molecular tool will not only help in ALS research but also in understanding and treating other neurodegenerative diseases,” said Dr. Huang. The team’s dedication to ALS research over the years highlights the importance of this development.
Article link：https://www.nature.com/articles/s41467-024-50025-5