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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Item 以邏輯閘建構全細胞生物感測器檢測銅離子(2023) 林秉衡; Lin, Ping-Heng全細胞生物感測器是利用細菌作為感測器主體,透過基因工程技術,藉由賦予它不同調控基因組,使之具有檢測特定待測物的能力,其具有操作方便、價格低廉,對環境污染低等優點,使全細胞生物感測器越來越蓬勃發展。本論文是利用耐金屬貪銅菌 (Cupriavidus metallidurans, C. metallidurans) 作為宿主細菌,並且融入邏輯閘中的AND gate概念設計質體,希望利用兩個啟動子PCopA (Cu2+、Zn2+、Cd2+) 與PCopZ (Cu2+、Au3+、Ag+) 之間的交集,提高對銅離子的專一性,並且使用了Spy Tag/Catcher黏合標籤,提高重組sfCherry3C(1-10)、sfCherry3C(11)的效率以及重組T7 RNA聚合酶 (拆成C-T7和N-T7兩片段) 並作為訊號放大器,提高檢測銅離子的表現。在以上兩個系統,皆已成功建構出對銅離子專一的菌株,在兩系統中: sfCherry3C (2.5-250 μM) 、T7 RNAP (0.1-5 μM) 都有良好的線性,以及低偵測極限,但目前對於背景值以及檢測倍率的方面還需做進一步的優化。結論來說,我成功了開發了一個對銅離子專一的全細胞生物感測器,雖然目前的檢測表現還有進步空間,但可以利用此兩系統作為基礎,優化並發展出更完善的檢測器。Item 以邏輯閘建構全細胞生物感測器檢測重金屬離子(2022) 蔡思慈; Tsai, Ssu-Tzu全細胞生物傳感器是一種將活細胞作為生物識別元件的生物傳感器,可用於檢測特定有毒物質或代謝物等,具有對環境友善、低成本和可攜帶性等優點。本論文主要基於邏輯閘概念去設計出不同的全細胞生物感測器:(1)在大腸桿菌中比較不同合成基因的汞離子感測器;(2)在耐金屬貪銅菌中開發銅金離子感測器。第一部分,根據邏輯閘概念,我們分別設計四種經過重組基因修飾的全細胞生物傳感器。在汞離子(Hg2+)和異丙基β-d-1-硫代半乳糖苷(IPTG)分子的控制下,分別比較了四對基因,包括LuxRI、HrpRS、Spy Tag/Catcher和E4/K4捲曲螺旋。此外,我們還研究了這些全細胞生物傳感器在各種pH水平下及其金屬干擾。第二部分,根據第一部份結果我們選擇成功表達的三個系統(LuxRI、HrpRS、Spy Tag/Catcher),移到耐金屬貪銅菌(Cupriavidus metallidurans)中建立基於邏輯閘概念之銅及金離子感測器。Item 大腸桿菌之單株抗體的生產與分析研究(2012) 呂泰霖; Tai-lin Lu大腸桿菌是造成人類感染疾病的重要病原菌之一,每年都造成全球許多生命及經濟的損失,故開發快速且準確的大腸桿菌檢測方法有其必要性。現今我國使用傳統的細菌培養法作為大腸桿菌檢測的標準檢驗方法,其缺點是過程需時冗長,且需使用較多空間與耗費較多人力。故本研究擬生產可專一辨識大腸桿菌的單株抗體,期能用以開發大腸桿菌的免疫檢測方法,或是作為大腸桿菌的基礎研究工具。 本研究以超音波破菌處理過的大腸桿菌(ATCC 11775,血清型O1:K1:H7)為抗原,對小鼠進行免疫注射,經細胞融合及選殖過程後,共獲得9株單株抗體。依照其對不同菌種的作用特性,這9株抗體可被分類為兩群:第一群共有6株 (I-1 ~ I-6),僅會與大腸桿菌反應;第二群則有3株 (II-1 ~ II-3),除了對大腸桿菌之外,亦會與本研究所測試的其他10種革蘭氏陰、陽性菌作用。 進一步的抗原成分分析結果顯示,第一群抗體所辨識的抗原應為大腸桿菌表面的脂多醣O抗原;第二群抗體則可能辨識細菌的細胞內或分泌性的成分。在應用上,第一群單株抗體具有開發大腸桿菌免疫檢測方法的潛力,亦可透過遺傳工程技術產生重組抗體後,用作為抑菌用途的功能性食品添加成分,此外,本群抗體還可被用作為分析細菌表面O抗原種類之工具;第二群單株抗體則可應用於生菌數的檢測或被用來分離細菌的保守成分,以供親緣關係探討之用。 本研究也利用自行生產的單株抗體(I-5),進行大腸桿菌免疫偵測方法的先驅研究。藉著簡易的步驟,我們開發的微量離心管免疫偵測方法可將大腸桿菌的偵測極限下降至104 CFU/mL,並且整個過程僅需2.5小時即可完成,未來若能進一步確定抗體的專一性及提升檢測方法的敏感度,則將有取代現行標準檢測方法的潛力。Item 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。Item 研究超快雷射照射大腸桿菌之滅菌效率(2014) 郭惟寧; Wei-Ning Kuo此論文是研究飛秒雷射照射後,大腸桿菌活性降低的效率研究。實驗中利用30μm寬的微流道系統與800μm寬的毛細管系統(Capillary system)作為大腸桿菌接受飛秒雷射作用的流道。實驗時使用能量為250mW、波長為415nm的飛秒雷射脈衝照射大腸桿菌。此脈衝是由100fs,波長830nm的鈦-藍寶石雷射經由倍頻輸出而獲得。實驗結果顯示毛細管系統(Capillary system)的細菌量衰減對數 (Log reduction )在5小時內可達到6,也就是說由每毫升〖3.7×10〗^7個大腸桿菌經5小時照射後,具有活性的細菌數目小於10。Item 利用原子力顯微鏡探討細菌細胞壁結構的破壞(2013) 陳偉昌大腸桿菌受到紫外光照射後,菌體形貌會產生變化,且隨著照射強度增加,菌體形貌的變化也會增加,利用原子力顯微鏡在生物樣品量測的優勢,來了解為什麼菌體會有如此變化。細胞壁是主要維持細胞形貌的因素,而組成細胞壁的結構分別是肽聚醣層與脂多醣層,所以探究肽聚醣層與脂多醣層是否遭受紫外光照射而破壞,是本研究的重點。 本研究利用原子力顯微鏡,在大氣環境下測得,大腸桿菌產生的吸附力做功會隨著照射紫外光的能量提升而下降,這表示維持吸附力的脂多醣層的確受到紫外光照射而破壞 在液態環境下測得,大腸桿菌的有效彈性常數與楊氏模數經由紫外光照射後會下降,利用楊氏模數下降這可以證明紫外光照射,也會產生肽聚醣的破壞。 使用恆定力輕敲式掃描模式系統進行實驗,利用其在液態環境優異的解析度,讓我們在液態環境更精準的量測,實驗結果,其吸附力與楊氏模數的下降,與傳統原子力顯微鏡的結果相同。 使用表面增強拉曼光譜進行實驗,可以發現受紫外光照射的大腸桿菌有許多來自於DNA的訊號,未照射紫外光的大腸桿菌則沒有DNA的訊號,這表示,細胞壁的確受到了損害。 關鍵字:大腸桿菌、原子力顯微鏡、力與距離曲線、有效彈性常數、楊氏模數、紫外光、脂多醣層、肽聚醣層、細胞壁、表面增強拉曼光譜Item 利用原子力顯微鏡研究紫外光殺菌之衰亡機制(2010) 楊黃捷; Hwang-Jye Yang細菌是許多疾病的成因,由於傳統殺菌方法都有一定的限制,故發展新的殺菌方法是我們的目標。脈衝激發拉曼散射能突破傳統殺菌方法的限制,為殺菌作業提供了一個嶄新的方法。本文除了為脈衝激發拉曼散射殺菌法提供前置作業外,最大的目的在於探討紫外光對細菌的影響。我們將利用原子力顯微鏡觀察大腸桿菌經過紫外光照射後菌體外形的變化,並根據統計結果提出合理的衰亡機制。實驗結果顯示,在時間模式的操作下,幾乎所有的大腸桿菌都有中央塌陷的現象,且隨著照射時間越長,塌陷的深度越深,但菌體的長度越短,我們認為是細胞膜受到破壞的緣故;而隨著照射時間的增加,兩端的峰值會越高,我們則懷疑是膜上電荷重新分配所造成的排斥現象。Item 微生物細胞表面顯示系統及 合成多樣化金屬奈米粒子的開發與應用(2014) 蔡宜蓉; Tsai, Yi-Jung微生物細胞表面顯示(Microbial cell-surface display),即利用暴露在細 胞表面的蛋白質作為載體蛋白(carrier protein) , 將乘客蛋白或胜肽 (passenger protein/peptide)顯示在細胞表面的技術。因此,載體蛋白能夠有效並成功地將乘客蛋白顯示於細胞表面是極為重要的。本實驗藉由來自 Escherichia coli 的outer membrane iron transporter protein (FhuA) 作為載體蛋白,發展一個可以使用於不同菌種及顯示不同的異源性乘客蛋白/胜肽的細胞表面顯示平台,同時比較來自E. coli,截短的outer membrane protein(OmpA),以及來自Neisseria gonorrhoeae 的 immunoglobulin A protease(IgA protease)作為載體蛋白,將乘客胜肽顯示於一革蘭氏陰性菌,Ralstonia eutrpha 之表面。透過實驗分析,三種載體蛋白無論於E. coli或R. eutropha中,皆成功易位於細胞外膜,並將不同的乘客胜肽顯示於細胞表面,而乘客胜肽之功能依舊,表示此使用E. coli,FhuA 作為載體蛋白之策略適合顯示異源性胜肽在細胞表面的生物工程應用。 在自然界中,許多微生物本身就具有在細胞內或細胞外合成金屬奈米粒子的特性。由於生物性的合成方法具有無毒並對環境友好性的特質。因此,利用微生物作為合成金屬奈米粒子反應器已廣泛的被研究,除了使用本身具有合成金屬奈米粒子特性的微生物外,也有許多利用重組菌株的方式以合成更多樣化的金屬奈米粒子。Rhizobium etli,是一種固氮菌,其所含的melA 基因序列被證實為tyrosinase 的基因序列,且被使用於重組E.coli 並藉由外加的L-DOPA 產生黑色素。本實驗藉由帶有melA 基因片段的重組E. coli,表現tyrosinase 並催化L-DOPA,產生出黑色素並合成多種的金屬奈米粒子。Item 一、利用電子激發態分子探測釕金屬修飾蛋白質內的長距離電子傳遞及檢測十二烷基硫酸鈉的濃度 二、七種台灣精油的化學組成及對大腸桿菌的抗菌效果(2016) 林柏成; Lin, Po-Chen本研究合成出釕金屬聯吡啶錯合物([Ru((CH3)2bpy)2(im)2]2+與[Ru((COO−)2bpy)2(im)2]2−),並將其修飾在細胞色素c (cyt c)上,再藉由閃光淬熄法來探測蛋白質內的電子傳遞。修飾上推電子取代基的[Ru((CH3)2bpy)2(im)2]2+與Ru(NH3)63+反應後,得到25.1%的激發態淬熄率和42.0%的三價釕金屬([RuIII( )2(im)2]3+)生成率;修飾上拉電子取代基的[Ru((COO−)2bpy)2(im)2]2−則有65.2%激發態淬熄率和19.6%的三價釕金屬生成率。同樣將釕金屬修飾蛋白質與Ru(NH3)63+反應,發現Ru((CH3)2bpy)2(im)(His33)-Fe2+-cyt c的分子內電子傳遞之量子產率是17.6%,而Ru((COO−)2bpy)2(im)(His33)-Fe2+-cyt c的分子內電子傳遞之量子產率則是11.9%。儘管反應驅動力預測Ru((COO−)2bpy)2(im)(His33)-Fe2+-cyt c有較大的量子產率,但還要考慮另外兩個變數的影響(籠蔽效應跟化學反應)。 利用Ru(bpy)2dppz2+的光開關性質來檢測十二烷基硫酸鈉的濃度,隨著十二烷基硫酸鈉的濃度增加,Ru(bpy)2dppz2+的磷光強度也增加。然而,當十二烷基硫酸鈉的濃度小於0.1%時,Ru(bpy)2dppz2+會沉澱析出,因此換用溴化乙錠。在低濃度的十二烷基硫酸鈉(0−0.1%),溴化乙錠的吸收波長最大值會紅位移而螢光強度會降低;當十二烷基硫酸鈉的濃度超過0.1%,溴化乙錠的吸收波長最大值會藍位移而螢光強度會增強;當十二烷基硫酸鈉的濃度超過臨界微胞濃度後,溴化乙錠的螢光強度維持不變。利用上述現象,溴化乙錠可以拿來檢測十二烷基硫酸鈉的濃度。 利用氣相層析質譜儀分離鑑定七種台灣精油,再透過NIST 08資料庫的比對,可以清楚辨識主要的化學成分。藉由定量分析的實驗,可以得知精油的主要成分含量,比較文獻後發現,不同產地的精油其組成成分會有很大的差異。將七種精油分別加入大腸桿菌培養液中,經過24小時後,發現廣藿香的抑菌效果非常好,只要0.05%的濃度就可以完全抑制大腸桿菌的生長;而丁香羅勒和甜馬鬱蘭的抑菌效果也不差,兩者的最低抑菌濃度都是0.1%。Item 利用基因改造工程優化大腸桿菌BL21對間二甲苯之偵測能力(2016) 顏家禾; Yen, Chia-Ho本研究利用基因改造工程,擷取戀臭假單胞菌 (Pseudomonas putida)TOL質體中的xyl調控組,並嵌入人工質體中。當大腸桿菌BL21感測到環境中的間二甲苯 (m-xylene),XylR蛋白會與間二甲苯結合形成複合物,此複合物會觸發下游啟動子,開始轉錄形成報導蛋白。本研究借助兩種蛋白作為訊號輸出:一是紅色螢光蛋白 (RFP);二是顯色明顯的紫茉莉4,5多巴雙加氧酶 (MJDOD),能將左旋多巴催化形成甜菜色素。透過對TOL網絡 (TOL network)調節機轉的了解,我們以一系列人工質體進行實驗,除了置換啟動子,利用不同報導蛋白進行檢測也是研究方向之一。經過實驗比較與佐證,我們發現其中一個菌株針對間二甲苯具有不錯的偵測結果,訊號線性範圍從0至1600μM,也具有一定的專一性。為了增加在野外進行環境分析的實用性,我們以瓊脂糖 (agarose)包覆菌液形成菌珠,可省略實驗前細菌培育步驟。綜合上述特點,本研究為有機溶劑污染檢測方式,增添一個可能性。