理學院

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學院概況

理學院設有數學系、物理學系、化學系、生命科學系、地球科學系、資訊工程學系6個系(均含學士、碩士及博士課程),及科學教育研究所、環境教育研究所、光電科技研究所及海洋環境科技就所4個獨立研究所,另設有生物多樣性國際研究生博士學位學程。全學院專任教師約180人,陣容十分堅強,無論師資、學術長現、社會貢獻與影響力均居全國之首。

特色

理學院位在國立臺灣師範大學分部校區內,座落於臺北市公館,佔地約10公頃,是個小而美的校園,內含國際會議廳、圖書館、實驗室、天文臺等完善設施。

理學院創院已逾六十年,在此堅固基礎上,理學院不僅在基礎科學上有豐碩的表現,更在臺灣許多研究中獨占鰲頭,曾孕育出五位中研院院士。近年來,更致力於跨領域研究,並在應用科技上加強與業界合作,院內教師每年均取得多項專利,所開發之商品廣泛應用於醫、藥、化妝品、食品加工業、農業、環保、資訊、教育產業及日常生活中。

在科學教育研究上,臺灣師大理學院之排名更高居世界第一,此外更有獨步全臺的科學教育中心,該中心就中學科學課程、科學教與學等方面從事研究與推廣服務;是全國人力最充足,設備最完善,具有良好服務品質的中心。

在理學院紮實、多元的研究基礎下,學生可依其性向、興趣做出寬廣之選擇,無論對其未來進入學術研究領域、教育界或工業界工作,均是絕佳選擇。

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    天然植化素槲皮素與蘿蔔硫素對糖尿病大鼠的泌尿系統保護機轉
    (2020) 林嘉發; Lin, Chia-Fa
    本論文主要在探討天然植化素(phytochemicals)對於糖尿病大鼠的泌尿系統保護作用,並研究有關細胞凋亡(apoptosis)、細胞自噬(autophagy)、發炎性細胞凋亡(pyroptosis),和粒線體功能的作用機轉。我們建立了兩種不同誘發糖尿病的動物模型,第II型糖尿病(Type 2 diabetes mellitus, T2DM)模型,與第I型糖尿病(Type I diabetes mellitus, T1DM)模型。T2DM模型主要研究對象是第II型糖尿病(Type 2 diabetes mellitus, T2DM)之腎臟細胞損傷與保護,而T1DM模型則是用於研究糖尿病的排尿功能障礙,這通常會發生在較嚴重的T1DM高血糖狀態,因為T1DM模型可以快速誘導糖尿病膀胱(diabetic bladder)損傷。 我們萃取富含槲皮素(quercetin)的番石榴汁,並混合不同比例的海藻糖(trehalose),來研究其對於T2DM大鼠腎臟和胰臟損傷的保護作用,並採用高效液相色譜分析法以測定番石榴汁的有效成分。通過腹腔注射菸鹼醯胺(nicotinamide)和鏈脲佐菌素(streptozocin),結合高果糖飲食誘導Wistar大鼠T2DM模型,持續8周。用不同劑量的番石榴汁混和海藻糖餵養大鼠4周,檢測口服葡萄糖耐量試驗(Oral Glucose Tolerance Test, OGTT)、血漿胰島素(insulin)、糖化血色素(glycated hemoglobin, HbA1c)、胰島素抗性指數(Homeostasis Model Assessment-Insulin Resistance index, HOMA-IR)、β細胞功能和胰島素分泌指數(Homeostasis Model Assessment of β-cell function, HOMA-β)。我們也使用了免疫組織化學染色法、螢光染色法和西方墨點法來測定氧化和發炎程度,用化學發光分析儀測定了血清和腎組織活性氧類(Reactive Oxygen Species, ROS)濃度。 結果發現,番石榴汁中高含量的槲皮素對過氧化氫(Hydrogen Peroxide, H2O2)和次氯酸(hypochlorous acid, HOCl)有清除作用,而海藻糖對H2O2有選擇性清除作用,而對HOCl無清除作用。對於T2DM的OGTT、insulin、HbA1c、HOMA-IR和HOMA-β水平均有影響,而番石榴混和海藻糖對T2DM改變的參數,除HbA1c外均有顯著改善。番石榴汁混和海藻糖能顯著降低T2DM所增強的腎臟ROS、4-hydroxynonenal、caspase-3/apoptosis、LC3-B/autophagy,以及 IL-1β/pyroptosis的水平。研究結果顯示:番石榴汁混和海藻糖的攝取,對於因T2DM而損傷的胰臟和腎臟細胞,具有顯著的保護作用。 嚴重的高血糖能誘發氧化壓力,造成糖尿病膀胱(diabetic bladder),進而引發排尿功能障礙。我們在論文中探討了蘿蔔硫素(sulforaphane),一種具有抗氧化力的轉錄因子Nuclear factor erythroid 2-related factor 2(Nrf2)激活劑,是否具有預防糖尿病因高血糖而併發膀胱功能障礙的功用。糖尿病誘導前給予鏈脲佐菌素和蘿蔔硫素,用化學發光分析儀測定膀胱活性氧類,另用西方墨點法檢測粒線體功能、粒線體Bcl-2-associated X protein(Bax)和胞漿細胞色素cytochrome c、抗氧化防禦能力Nuclear factor erythroid 2-related factor 2/heme oxygenase-1(Nrf2/HO-1)、內質網壓力標誌物Activating transcription factor 6/C/EBP Homologous Protein(ATF-6/CHOP)和Caspase 3/poly ADP-ribose polymerase (Caspase 3/PARP)。糖尿病增加膀胱組織中Keap1的表現,並降低Nrf2的表現,與膀胱活性氧增加、粒線體Bax轉位、胞漿細胞色素(cytochrome c)釋放、ATF-6/CHOP、Caspase 3/PARP/apoptosis增加有關,通過增加排尿間隔時間和排尿時間導致排尿功能障礙。蘿蔔硫素能顯著活化Nrf2/HO-1軸的表現,減少膀胱活性氧、粒線體Bax轉位、細胞色素C釋放、ATF-6/CHOP和caspase 3/PARP/apoptosis,從而通過縮短排尿間期和排尿時間來改善排尿功能。根據研究結果,我們認為蘿蔔硫素通過激活Nrf2/HO-1信號通路保護了粒線體功能,並抑制糖尿病誘導的ROS、內質網壓力、細胞凋亡和排尿功能障礙。 研究顯示,天然植化素槲皮素與蘿蔔硫素,的確具有保護糖尿病大鼠泌尿系統之效益。
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    利用酵素工程技術提升海藻糖合成酶的酵素轉化效率
    (2012) 曾信豪; Hsin -Hao Tseng
    海藻糖 (trehalose) 存在於許多生物體當中,除了作為能量的儲存形式之外,在脫水等逆境時穩定蛋白質和生物膜的結構,保護細胞免於環境壓力。在食品、化妝、醫藥業上都有廣泛的應用。海藻糖合成酶 (trehalose synthase,TS) 為可逆催化麥芽糖分子內鍵結轉化成海藻糖的酵素,屬於一種麥芽糖異構酶,同時,TS 亦有水解麥芽糖產生葡萄糖的副反應,為海藻糖的生合成路徑之一。本研究在提升 TS 的轉化效率,並以Deinococcus radiodurans trehalose synthase (DrTS) 為研究對象,利用已知結構之 SI (sucrose isomerase) 為模板模擬出 DrTS 立體三級結構。結構顯示,DrTS 的整體結構與一般的 α-amylase 的結構相似,在中央擁有一個催化的區域,由 (β/α)8 的桶狀結構所組成,以及一個富有 loop 的子區域和兩個反向平行的 β-sheet 區域。藉由將麥芽糖偶合來模擬 DrTS 與受質結合的立體結構,發現距離麥芽糖 5 Å 的周圍有 21 個胺基酸會與受質結合。從 DrTS與 SI 的胺基酸序列與立體結構的比對,發現這 21 個胺基酸當中有 9 個是不相同的,推測這 9 個胺基酸可能造成 DrTS 與 SI 功能上有差異的原因,再與其他 TS 的胺基酸比對後,發現這 9 個不同的胺基酸中,有 3 個胺基酸不同於其他 TS,分別為 Thr154、Phe174 和 Gln254。推測這 3 個胺基酸位置可能是決定不同的 TS 具有不同生化性質或轉化率的原因,本研究利用定點飽和突變與高效率純化暨活性篩選系統針此 3 個胺基酸進行突變,篩選出高海藻糖轉化率突變種,其中在 Thr154 突變庫當中,挑選出兩株活性大於野生型三倍者,經 DNA 定序顯示其 Thr154皆被取代為 Phe。此外,Asn317 被預測可能與參與水解反應的水分子結合,而在 316 位置 DrTS 具有一種與其他 SI 明顯不保守的胺基酸 Arg,推測可能也會影響與水分子的結合,以及 Asn253 被預測可能藉由阻礙活性中心的開口處保護中間產物,避免水分子進入催化中心造成水解。為了減少水解的副反應,因此將親水性的 Asn317 藉由定位突變取代成疏水性的 Phe、Leu 或 Ala,並將帶正電的 Arg316 藉由定位突變取代成不帶電性的 Gly,結果顯示 Asn317 突變成 Phe、Leu 或 Ala 以及 Arg316 突變成 Gly 雖然會使水解副反應減少,然而卻會造成酵素活性降低。將 Asn253 藉由定位突變取代成芳香族的 Phe,結果顯示 Asn253 突變成Phe 會使水解副反應與酵素活性完全喪失。此外利用另兩種策略來改善 DrTS 轉化率。一種是偶合葡萄糖異構酶 (Glucose isomerase,GI),將 TS 反應副產物葡萄糖轉化成果糖,來減少副產物的抑制效果,結果顯示偶合 GI 能提升 DrTS 在高溫的海藻糖轉化率約 4%。另一種方法是抑制 TS 的逆反應,藉由加入 α-葡萄糖苷酶抑制劑 (validoxylamine A、validamycin A、kanamycin A、acarbose 或 azactidine) 或是海藻糖的類似物 (lactose、lactulose 或 isomaltulose)。結果 kanamycin A 抑制逆反應比抑制正反應多 5% ,validoxylamine A、validamycin A 或 acarbose 對正逆反應的抑制程度相近,然而 azactidine、lactose、lactulose或 isomaltulose 對 DrTS 的正逆反應沒有影響。以上結果可以提供從事 TS 之蛋白質工程的參考。
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    人類海藻糖水解酶在大腸桿菌中的功能性表現與新型海藻糖水解酶抑制劑的檢測
    (2013) 黃胤榮; Yin-Jung Huang
    海藻糖水解酶、蔗糖酶-異麥芽糖 (sucrase-isomaltase, SI)、麥芽糖酶-葡萄糖澱粉酶 (maltase-glucoamylase, MG) 是哺乳類小腸絨毛膜主要的α-葡萄糖苷酶 (α-glucosidases),這些酵素負責把雙醣水解成單醣,以利吸收作為能量的來源。海藻糖存在於很多食物當中,而小腸海藻糖水解酶 (EC 3.2.1.28) 會水解海藻糖 (1-α-D-glucopyranosyl α-D-glucopyranoside) 成為兩個葡萄糖分子。海藻糖對細胞有兩種保護的特性,亦即可當作化學伴護劑 (Chemical chaperone) 及細胞自噬反應引發劑 (inducer of autophagy),實驗證實在神經細胞當中是可以運用在因蛋白質沉澱所造成的退化性神經疾病的藥物治療上。因此,如果能透過抑制腸道內的海藻糖水解酶活性,進而增加腸道內海藻糖吸收的話,這樣在血液和大腦中的海藻糖濃度也會增加,有可能改善由蛋白質沉澱所造成的退化性神經疾病。而人類海藻糖水解酶的結構、催化機制與其抑制劑到目前為止還沒有被研究清楚,本研究將人類海藻糖水解酶的cDNA在大腸桿菌裡表達,然而表達出來的重組蛋白質為內聚體 (inclusion body),利用透析式摺疊 (Dialysis refolding) 和管柱色層層析摺疊法 (On-column refolding) 進行蛋白質再摺疊復性,但是再摺疊出來的重組蛋白質活性非常低。為了避免因蛋白分子間及分子內不正常的雙硫鍵形成而造成蛋白質錯誤的摺疊,以增加它的可溶性,根據三級結構的模擬把人類海藻糖水解酶中可能不涉及形成雙硫鍵的半胱胺酸 (cysteine) 殘基,利用定位突變法以絲氨酸 (serine) 來取代,其中預測出4個彼此距離較遠、較不可能形成雙硫鍵的半胱胺酸,並將它們突變為絲氨酸。然而突變的重組蛋白質仍為內聚體,而且再摺疊出來的重組蛋白質仍然沒有活性。另外,生化分析數種海藻糖的結構類似物對於豬的海藻糖水解酶的抑制作用,確定可以作為哺乳類海藻糖水解酶的抑制劑,這些類似物有可能作為治療由蛋白質沉澱所造成的神經性退化性疾病的藥物。 關鍵字: 海藻糖、海藻糖水解酶、海藻醣水解酶抑制劑、重組蛋白質表達
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    人類海藻糖水解酶重組蛋白之表達
    (2014) 游舒琇; Shu-Hsiu Yu
    海藻糖 (trehalose) 是一種非還原性的雙糖,由兩個葡萄糖分子以 α,α-1,1- 糖苷鏈結形成,存在於多種生物體中,除了可以做為生物能量來源,亦有穩定蛋白質與細胞膜等重要生理功能。海藻糖水解酶 α,α-Trehalase (TreH) (EC 3.2.1.28),可將海藻糖水解成兩個葡萄糖,廣泛的存在於微生物與動植物中。人體不同組織中亦含有 TreH,例如小腸與腎臟絨毛膜的 TreH 負責海藻糖的水解以利吸收,另外,血漿中亦含有TreH,有研究顯示血漿中具有高 TreH 活性的人較容易罹患糖尿病。然而,目前為止對於人類 TreH 的生化特性、功能與結構的研究非常稀少。本研究將選殖的兩種人類海藻糖水解酶 isoform1 (hTreH1) 和 isoform2 (hTreH2) 的基因,利用三種蛋白表達系統,包括原核生物的大腸桿菌 (Escherichia coli) 表達系統、真核生物的畢赤酵母菌 (Pichia pastoris) 表達系統和昆蟲桿狀病毒表達系統 (baculovirus expressing vector system),以便生產具功能性的重組酵素。其中,兩種 hTreHs 在大腸桿菌表達都形成不可溶的內涵體,以隨機突變技術篩選 80 個突變株,並未獲得可表達水溶性酵素之突變株;在畢赤酵母菌表達出的胞外重組酵素量極微,在培養液中無法偵測到 TreH 活性;而在昆蟲桿狀病毒表達系統中有表達出重組酵素,但是仍然形成不可溶的蛋白沉澱。部分可溶的重組蛋白可以非變性的蛋白萃取條件萃出,然而這些萃出的重組蛋白還是不具活性。本研究所採用的方法中沒有表達出具有活性的重組蛋白,為了得到可溶且具有活性的重組蛋白,需要再進一步做更深入的研究。
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    評估海藻糖對第十七型脊髓小腦萎縮症小鼠及組織切片培養之作用
    (2013) 陳執中; Zhi-Zhong Chen
    脊髓小腦萎縮症 (Spinocerebellar ataxia, SCA) 是一種體染色體顯性的遺傳性疾病,患有 SCA 的患者會因為小腦和脊髓的神經細胞發生退化,而導致病人有運動失調等症狀出現。現在已知導致 SCA 的原因多半是因特定基因某些重複核苷片段過度擴增所致。SCA17 是眾多 SCA 的其中一亞型,研究發現導致 SCA17發病的原因為染色體 6q27 位置上的 TATA-Box Binding Protein (TBP) 基因CAG 過度擴增,而導致 TBP N-terminal的Polyglutamine (polyQ) 過長,使得 TBP 在細胞內形成不溶性的聚集物 (detergent-insoluble aggregate),令神經細胞功能異常而退化,然而 SCA17 的整體病理路徑至今仍未十分清楚。小腦組織切片培養 (Cerebellar organotyptic culture) 是一種可以觀察小腦神經細胞發育、神經細胞排列狀況以及神經細胞存活率的有效平台。由於SCA17的病人多在中年後發病,但神經細胞退化的情形在明顯的外顯病徵前就已經開始進行,因此我們試圖以 SCA17 基因轉殖小鼠之小腦組織切片培養作為一分析平台,利用此模式可直接觀察在 SCA1 7發病前神經細胞的發展,除了可進一步了解 SCA17 的致病成因外,並可作為藥物測試之初步模式。海藻糖被報導出在許多疾病中具有預防蛋白質降解和防止蛋白質聚集 (aggregation) 的情形,例如阿茲海默氏症 (Alzheimer’s disease, AD) 杭丁頓氏舞蹈症 (Huntington’s diseases, HD),脊髓小腦萎縮症第十四型 (SCA 14) 和其他的poly Q 神經退化性疾病。在本研究中,我們運用小腦組織切片培養來評估海藻糖對於 SCA17 的治療效果。我們的結果顯示出 TBP aggregation 會在小腦組織切片培養中的 Purkinje cell 中在體外培養第三天 (DIV3 )發生,而聚集的情形會在 SCA17 的 DIV7 小腦組織切片培養中越來越明顯。然而,我們發現在加入海藻糖後,TBP aggregation的情形有明顯下降的現象。為了要了解海藻糖在體內的治療效果,我們將海藻糖加入 SCA17 基因轉殖小鼠的飲用水中,並藉由行為實驗和病理分析來了解海藻糖對於 SCA17的療效。結果發現,飲用有加入海藻糖的 SCA17 基因轉殖小鼠,其 rota-rod 的平衡能力,footprint的檢測實驗都有顯著回復的情形,而且飲用有加入海藻飲用水的基因轉殖小鼠,其神經膠細胞的發炎反應亦有回復的情形。綜合上述結果,顯示海藻糖應該是一對於 SCA17 具有療效的潛力藥物。
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    海藻糖芭樂汁對第二型尿病大鼠之腎臟及胰的保護效應
    (2015) 郭彥廷; Kuo, Yen-Ting
    第二型糖尿病(Type 2 diabetes, T2DM)是目前廣泛流行的代謝症候群。研究預測第二型糖尿病的人口數,在西元2030年時會攀升至3.66億。芭樂 (Psidium guajava),被發現具有抗氧化(anti-oxidation)、抗發炎(anti-inflammation)及抗糖尿病(anti-diabetes)的特性。並且也被發現在第一型糖尿病的大鼠上,可以保護胰臟的β細胞,免於受到氧化壓力損害。然而,很少研究是利用芭樂的可食部位探討其對第二型糖尿病之間的作用機制。所以我們利用芭樂可食部位製成芭樂汁(40%),以研究此主題。為了提升芭樂汁的適口性,我們在果汁當中添加了海藻糖(Trehalose)。海藻糖是一種雙醣,目前已被應用為細胞冷凍保存的工具。先前的研究指出它可以防止阿茲海默症中,類澱粉蛋白的累積。以及亨丁頓氏舞蹈症中,多聚谷氨酰胺的形成而產生抗氧化之作用。本研究之主要目的在評估芭樂汁(40%)添加海藻糖(5%)對於第二型糖尿病大鼠在腎臟與胰臟的保護作用效應。 利用Nicotinamide (NA)及Streptozotocin (STZ)腹腔注射以誘發 Wistar品系雌性大鼠第二型糖尿病。誘發成功後,分為六組進行實驗,分別為CON, DM, T1, T2, T5和B1。每日灌餵芭樂汁,連續四周。灌餵之劑量如下: T1, T2, T5: 4, 8, 20 ml/kg BW芭樂汁含5%海藻糖。 B1: 4 ml/kg BW芭樂汁不含5% 海藻糖。紀錄葡萄糖耐受性試驗(OGTT)、血清胰島素、糖化血色素與換算之胰島素阻抗和分泌量。並測量腎臟活體自由基,而後進行犧牲,收取組織進行免疫組織染色、螢光染色、西方墨點法及離體血清自由基測試。我們亦以LC/MS的方式定量芭樂有效成份。 結果顯示,芭樂汁中含有高量的槲皮素,且槲皮素與芭樂汁可清除H2O2 and HOCl。而本研究也發現,海藻糖可清除H2O2,但無法清除HOCl。第二型糖尿病(DM組)會增加大鼠之氧化壓力及發炎反應。相較之下,T1, T2, T5組在灌餵海藻糖芭樂汁之後,表現出較低程度的氧化壓力及發炎指標,如IL-1β, Caspase 3及4-HNE。第二型糖尿病(DM組)增加胰島素阻抗和降低胰島素分泌量。相較之下,T1, T2, T5組在灌餵海藻糖芭樂汁之後,會降低第二型糖尿病(DM組)所增加之腎臟和胰臟氧化壓力及發炎反應包括降低IL-1β, Caspase 3 及4-HNE之表現。而且會降低胰島素阻抗和部份增加胰島素分泌量。此外,我們發現在離體血清自由基測試中,B1組的血清自由基較T1, T2, T5組高,其中T2及T5組統計達顯著差異(P< 0.05)。免疫組織染色及螢光染色結果也有相同趨勢。這結果表示海藻糖芭樂汁對於腎臟及胰臟的保護功效,較單獨芭樂汁佳。 總結,海藻糖可以提升芭樂汁在第二型糖尿病中的保護功效。將兩者合併攝取,可降低腎臟及胰臟的氧化壓力及發炎反應。