STEM Education |
使用化學療法治療冠狀病毒感染

香港科技大學化學系客座副教授陳浩懷教授

 

自新型冠狀病毒(2019-nCoV)爆發以來,人心惶惶,大家都非常緊張和警惕。口罩和酒精消毒劑在香港以及中國大陸的城市都很快售罄。

 

它是一種新型病毒和一種新型的肺炎。因此,現時尚沒有針對這種疾病的既定治療方法(暫時無藥可醫!)。但這就代表科學家無法對抗這種疾病嗎?

 

如今,隨著科技的日新月異,科學家可以前所未有的速度工作。例如,科學家已經刷了新的世界紀錄,以驚人的速度鑑定出了新的致病病毒,並破解了其遺傳密碼。現在,新的化學療法臨床試驗也正在迅速地進行當中。

 

像許多其他病毒一樣,冠狀病毒也需要快速自我複製才能對人類造成傷害。因此,科學家設計了可以插入病原病毒複製機制中的分子,希望能成功阻斷該機制並阻止病毒複製。這類分子包括利巴韋林 (ribavirin )和瑞德西韋 (remdesivir)。一些製藥業巨頭目前正在與中國衛生部門合作,研究一些新的抗病毒藥物候選藥物(如瑞德西韋)對治療2019-nCoV引致肺炎的效用。中國食品藥品監督管理局已批准在武漢對受到冠狀病毒感染而出現輕度至中度肺炎的患者開展隨機對照臨床試驗。到目前為止,雖然該療法尚未被證實是安全或有效,但現有數據表明,瑞德西韋對動物冠狀病毒具有“體外和體內活性”,可抵抗冠狀病毒,例如引起中東呼吸綜合症(MERS)和嚴重急性呼吸系統綜合症(SARS)的病毒。

 

2020年1月31日,一篇在《新英格蘭醫學雜誌》發表的研究文章指出正在接受新型冠狀病毒感染肺炎治療的患者對瑞德西韋的靜脈注射出現正面效果。我們希望抗病毒藥物能盡快面世。

 

此外,在分析了病毒的遺傳密碼後,科學家發現新的冠狀病毒使用了類似流感病毒攻擊人類細胞的方法,並具有類似HIV病毒的繁殖週期。因此,結合使用流感和HIV藥物可能可以治療嚴重的新冠狀病毒病例。使用大劑量的流感藥物,奧司他韋 (oseltamivir) ,加上HIV藥物,洛匹那韋(lopinavir)和利托那韋(ritonavir),就很可能對患者有幫助。這種化學療法的臨床試驗也在進行中。

 

病毒來勢洶洶,非常危險。如果全球科學家共同努力,我們仍然可以找到方法對抗它們。

 

文章來源: https://stem.ust.hk/en/chemotherapy-for-treatment-of-coronavirus-infections/ 

 

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應對全球危機的甜蜜方案

佘焯成是2011年的數學理學士畢業生,一路走著順遂且豐富多彩的人生旅程。畢業短短數年,他用兩年時間苦心經營的數學補習社,已讓他嚐得創業成功的滋味。 

身為數學科補習名師,數學讓佘焯成名利雙收,但沉重的工作壓力亦令其健康在2017年響起警號,意外地改寫了他的人生。 

他憶述:「我當時受腸胃問題困擾,朋友建議我服用天然原蜜調理身體,效果很好,立時引起我對蜜糖和蜜蜂的興趣,自此不停研究,我的人生亦因此改變。」

焯成向元朗一位本地蜂農拜師,學習怎樣在不用抗生素、不加糖、不熱壓的情況下生產蜂蜜,愈是鑽研,興趣愈濃,2017年更與兩位科大校友合作創辦自己的第二盤生意「香港原蜜」。自此,他不僅積極宣揚原蜜對健康的好處,更致力保育蜜蜂,以協助全球生態系統保持平衡。 

近十年來的絶大部份時間,很多蜂農都表示每年失去三成或以上的蜂巢。全球蜜蜂數量銳減,嚴重威脅各式各樣人類賴以生存的植物及穀物,情況令人憂慮。

他說:「這是我投身養蜂業的其中一個重要原因。全球暖化和使用殺蟲劑,導致蜜蜂數量急跌,但不少植物倚賴蜜蜂授粉,人類約有七成食糧是由蜜蜂支援生產。」

在人口稠密的城市,無休止的發展令野生蜜蜂及其食物供應飽受威脅,加上熱帶風暴的破壞力有增無減,即使業界努力補救,蜂蜜供應依然不甚穩定。 

解決問題的其中一個有效辦法,就是大量在城市養殖獨居蜂。焯成說,獨居蜂佔了全球蜜蜂的九成,生性溫馴,無需倚靠蜂巢存活,因此是家居養蜂的首選。用木頭和其他物料搭建小小的蜂箱,已可為獨居蜂提供基地。這些蜂箱可放置在家居或公園任何角落,在自然環境中增添蜜蜂授粉的機會。

在城市設置「蜜蜂酒店」的做法在全球越見普遍。他說:「這在台灣非常盛行,甚至深入學校,但香港仍需努力推廣。」

科大對促成佘焯成的「甜蜜」人生居功不少。他攻讀數學學位時,副修生態研究及中國研究,對全球暖化有一定認識,明白氣候變化如何影響地球。他亦熱衷與別人分享其所學知識。

現時,焯成既要打理補習社,又忙於在大嶼山和大帽山郊野公園附近建立生產基地、舉辦蜂場生態教育團向參觀者講解香港常見的花蜜植物、蜜蜂生活習性、採收蜜糖方法,以及設置蜜蜂酒店。

他說:「養蜂要在烈日下工作,留意蜂后情況,以及處理蜜蜂分群,預防『走蜂』。蜜蜂有天敵,會生病,主宰蜂巢健康的蜂后會死亡,要做的功夫多得很。」

「香港原蜜」是集商業、社會和教育功能於一身的初創公司。養蜂業在香港雖只處於起步階段,但焯成認為業界可以仿傚手工啤酒在全球的發展模式。因此,他現正專注於產品的分銷、推廣和包裝。 

他說:「我希望大家認識養蜂業和從我們公司的產品中得到啟發,以及我們怎樣幫助世界。在香港,人人渴望當律師、醫生或銀行家,我們需要教育公眾,扭轉這種觀念。這條路非常難行 — 即使是家父和家母,也對我的決定頗有微言。」 儘管如此,焯成堅持身體力行,效法蜜蜂的堅毅,為造福人類的理想奮鬥。

「香港原蜜」的產品現於科大精品店有售。焯成這位年輕人盡心盡力地保護蜜蜂和食物多樣性,你願意以行動支持他嗎?

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2020年度本科最新入學資訊
Student Development & Bonding |
越洋萬里拓闊視野

科大一直致力吸納世界各地的學生,以推動校園多元發展及國際化;而為了進一步擴大非本地生組合,大學在2018推出了「海外中學訪問團計劃」,讓中亞及中東的高中輔導老師深切認識科大為當地學生所提供的升學機會。該計劃在2019年三月再接再厲,讓逾30名來自九個西歐國家的高中輔導老師參與。兩位分別來自哈薩克和土耳其的科大學生,就和我們暢談來港升學的由來和感受。

祖籍哈薩克的生物科技及商學理學士四年級生 Kamila ABDRASSILOVA,見證了越來越多同鄉入讀科大的趨勢 – 她回想抵埗之初,全校的哈薩克學生只有七人,相對今天的14人,四年間增長高達一倍。

選擇大學時,Kamila不諱言下了一番功夫。她除了特別重視大學的學術和畢業生就業能力排名,申請獎學金的機會,以及學生組合多元化與否,也是關鍵因素。科大畢業生的就業能力是大中華之冠,排名接近哈佛與哥倫比亞大學,而且實習及交流機會充足。身為IB國際文憑畢業生,Kamila 取得的獎學金足以全數支付學費及生活開銷。衡量種種有利因素後,她很快已立定主意,選擇這家力求創新的年輕大學。

然而,事情往往並非一帆風順。她回憶抵港後不久的情況:「初到香港,很掛念家人,也擔心家鄉的政局。幸好大學的學生輔導中心提供免費支援,對我幫助很大。」

開放的環境,想法近似的人,讓這個在阿拉木圖土生土長的女孩,得以完全融入香港和大學的生活。Kamila積極加入不同學生組織,其中一個就是 「視野無界」 (SIGHT)。她夥拍SIGHT的其他成員,針對現存問題一起構思實際解決方案,過程中提升小妮子的設計思維及其項目管理能力。

在科大修業期間,Kamila還獲得負笈加州大學柏克萊分校的寶貴機會,汲取知識之餘,也實地認識和感受美國文化。另外,她也在香港匯豐銀行總部的銀行增長及創新部門完成實習。一連串難得經歷,助她建立全球視野此一重要職業技能,有利日後的事業發展。

種種機會讓Kamila不斷進步,她亦很快成為科大的忠實支持者,身體力行參與組織和帶領代表團回到自己的家鄉,宣傳科大。 

攻讀經濟學的一年級生Zeynep AYDIN來自土耳其。在不少人眼中,她放棄入讀哈佛、賓夕凡尼亞大學、達特茅斯學院等長春籐名校而選擇科大,可謂「離經叛道」,但小妮子思慮周詳,早已立志進軍亞洲新興市場,因而決定忠於自己的意願,來港學習創業之道。

Zeynep泛起留學海外的想法,源自其對「模擬聯合國」(MUN) 學術活動的熱枕。學生可透過活動從中學習外交、國際關係,以及聯合國的運作模式。Zeynep早在中三時已加入學校的 「模擬聯合國」學會,並成立名為 "MUN College"的初創公司,把 MUN的活動方式轉化為課程內容,藉此培養初學者成為適應力強、能幹和創意洋溢的二十一世紀菁英。

Zeynep立志創業,當她挑選海外大學時,對自己能夠完全融入科大信心十足。來港時日雖短,但她已感覺在家,努力學業之餘,亦踴躍參與校園活動。她說:「適應這兒的校園生活輕而易舉,文化差異也沒帶來多少問題。科大生非常優秀,而且具有國際視野,不但能助我以全新角度探視世界,也讓我感受到濃濃的人情味。」 

仍屬新生的Zeynep,對打算入讀科大的非本地生有一些建議:「出國留學,除了要注意學業,還需要有獨立生活的心理準備,使自己成為自信堅強的人。」

Kamila 對非本地新生也有另一些建議:「盡量把握機會參與課外活動,與同學建立堅實的友誼,在萬里之外「另建新家」,並注意在學習與社交生活之間取得平衡。」

將於2020年畢業的 Kamila早已成竹在胸,準備進軍亞洲的健康護理或生物科技行業。主修生物科技及商業學的她信心滿滿,深信在科大學到的技能和知識,足以幫助自己在生物科技這新興領域脫穎而出,推出創新產品,改善我們的日常生活。

Research and Innovation |
科大研究團隊揭示內波能助調節珊瑚礁的熱白化

由香港科技大學(科大)領導的一個國際研究團隊,近日證明了海洋內波(海裡的波浪)的冷卻功能可為珊瑚礁營造一個抗熱環境,或有助防止和更準確預測珊瑚白化。

世界各地的珊瑚礁正遭受由氣候變化和包括厄爾尼諾等極端氣候所引起的泛熱帶白化現象威脅,但是,白化模式很難預測,在較深的水域尤甚。現時,大部分白化預測都是基於由衛星收集得來的海水溫度數據作表面評估。雖然這些數據對了解大規模及偏遠地區的白化狀況很重要,但它們只反映了海洋表面的溫度以及相對大面積的溫度平均值。

科大海洋科學系助理教授Alex Wyatt,聯同來自東京大學、聖地牙哥加州大學斯克里普斯海洋研究所、美國地質調查局,以及佛羅里達理工學院的科學家組成研究團隊,就內波對太平洋西面、中部及東面珊瑚礁的溫度影響進行了定量分析。團隊花了數年時間,在日本、法屬波利尼西亞和巴拿馬不同海深的珊瑚礁位點量度溫度,並記錄了在2015年和2016年因厄爾尼諾現象發生的加熱事件。

該團隊透過自行研發的新型過濾方法,從溫度記錄中擷取內波訊號,以比較有內波及無內波海域的加熱情況。結果顯示,內波的出現有助減少該海區的酷熱情況,如在2015-2016年厄爾尼諾現象期間,內波的出現便將加熱程度減輕了88%;一些本可導致全數珊瑚死亡的嚴重加熱地區,因內波的出現而將加熱量降低了約36%至50%,有些地區甚至完全避免了加熱情況的發生。

研究還發現,天然內波的降溫能力會隨水深而上升。在水深8至10米的淺水處,內波將熱量減少了20%至41%;而在水深30至40米的較深水處,則減少了54%至88%,反映內波是一種能減輕珊瑚白化的重要過程。相反,在欠缺內波、或因氣候變化而令內波頻率和強度下降的地方,珊瑚礁的受熱威脅愈趨嚴重。

Wyatt教授指研究結果顯示,人類可透過創新方法保育當地的珊瑚礁﹕「透過主動管理方法,如人工引流至需要特別保護的珊瑚群落,能減少海洋加熱對它們的影響。但人工引流只能提供小範圍或短暫的保護,要長遠解決珊瑚礁的存活問題,解決氣候變化這根本原因實屬不可或缺。」

是次研究成果已於科學期刊《自然-地球科學》中發表。

 

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香港科技大學(www.ust.hk)是國際知名的研究型大學,其科學、工程、商業管理及人文社會科學領域,均臻達世界一流水平。科大校園國際化,提供全人教育及跨學科研究,培育具國際視野、創業精神及創新思維的優秀人才。科大的研究於香港的大學教育資助委員會「2014研究評審工作」獲得最多「世界領先」評級,亦於最新的《泰晤士高等教育全球年輕大學排名榜2019》中排行第一,而科大的畢業生在2019年度的全球大學就業能力調查排名第10位,位列大中華院校之首。

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燃點學習物理熱誠

要在香港各級學校推廣STEM (科學、科技、工程、數學) 教育,殊非易事。考試至上的文化根深柢固,加上學習方法刻板乏味,導致這方面的教學人才、時間,以及輔助教學工具不足。

物理學系的蘇蔭強教授熱心支持STEM教育,但認為現行的教學模式乏善足陳。他鼓勵教育界跳出固有框架,善用現有科技和簡介最新研究突破,讓學生學習嶄新知識。他亦明白老師工作繁重,難有足夠時間緊貼日新月異的科學與科技新知,使他們在教授STEM科目時倍感困難。

他說:「大部分老師都忙得不可開交。即使政府已為STEM教育預留撥款,他們也提不起興趣鑽研。」 

蘇教授在其專業範疇努力作出貢獻,至今已就複雜物理體系發表逾160份獲引用的研究論文,但在其內心深處,始終念念不忘與身邊學生分享物理學的純真趣味,希望教導他們實踐所學,以行動改善生活。

因此,他研發了一個「實驗工具包」,當中的概念源於其無意中發現的新型反射電子衍射現象。事實上,研製工具包的念頭早於2015年萌生:蘇教授當時獲指派擔任2016年亞洲物理奧林匹克大賽一項實驗考試的出題員。由於題目必須與出題者的科研專長有關,蘇教授於是決定研發這個結合理論與生活實例的工具包,並將其發展成適合於中學和大學使用的STEM輔助教學工具。

工具包內有10件主要組件,包括使用激光二極管的照明機、一個可以旋轉的撥盤,以及一個能夠有效解說電子衍射和光學衍射現象的觀察板,組裝十分容易。學生可利用它動手進行有關測試光學對准技巧的實驗,並學習周期性與隨機性之間的關連。

他說:「工具包定價合理,對需要教授STEM科目,但難以找到教材的老師很有幫助。」

蘇教授亦在科大物理學系的「小型講座」外展活動中,增添了介紹工具包的環節。這些小型講座由經過訓練的本科生負責向本地中學生講解和示範,旨在激發少年人對物理學的興趣。蘇教授亦正計劃加入香港教育城,向物理老師作推廣。

工具包不但在中學大受歡迎,連澳門大學、中國科學技術大學、南方科技大學、暨南大學等學府亦研究如何將教導於一年級新生。蘇教授於是因應中學生及大學生各自的學習需要,為工具包研發兩個不同程度的版本。

在澳門,有些老師甚至在工具包的基礎上研發遊戲:學生須根據手冊中的定量實驗爭先找出答案,以開啟電子門鎖,使學習過程更富趣味,亦使學生更投入學習。

蘇教授強調STEM 離不開科技和實驗,課堂上的實踐十分重要。他明白單憑一己之力,不足以形成新的學習和授課文化,但仍希望為高等教育界樹立榜樣,鼓勵學者應用最新科研知識創製STEM 教學工具。他深信這有助將實踐為本、配合生活需要的教學方法帶入課室。

Research and Innovation |
科大以嶄新合成生物學方法 破解大腸桿菌素致癌的機制 有助研究預防大腸癌方法

香港科技大學(科大)一個跨學科研究團隊發現,人體腸道中大腸桿菌所釋出的一種毒素,與大腸癌有關。研究不但為大腸桿菌對人類健康的影響帶來新見解,更有助推動預防全球第三常見癌症「大腸癌」 的研究*。

人體腸道中的大腸桿菌雖然可以幫助我們消化食物及調節免疫系統,但它們亦含有毒性,可以導致細胞周期停滯(arrest cell cycle)甚至死亡。科學家早已發現大腸桿菌所產生的大腸桿菌素(Colibactin)是一種基因毒性(genotoxin)化合物,可以破壞真核細胞中脱氧核醣核酸(DNA)的雙螺旋結構(double-strand breaks),增加患上大腸癌的風險。不過,由於這種化合物濃度低、狀態不穩定及生物合成反應路徑(biosynthetic pathway)過於複雜,難以複製作研究用途,所以它到底如何導致DNA受損,至今仍是一個謎。

由科大捷成 David von Hansemann 理學教授、海洋科學系及生命科學部講座教授錢培元帶領的研究團隊,利用嶄新的生物合成方式,解開這個謎團。團隊不僅成功複製大腸桿菌素基因簇,更發現可以大量培植相關基因的方法,以進行測試及驗證。經過反覆分析及化驗多種大腸桿菌素前體化合物(Colibactin precursors),團隊最終確定「大腸桿菌素-645」是引致DNA雙螺旋結構受損的元兇,並發現其生物合成反應路徑和損害DNA雙螺旋結構的機制。

錢教授表示﹕「雖然部分大腸桿菌素會透過交叉連接的方式損害DNA,但一直以來未有資料顯示它們會直接破壞DNA。我們的研究確認了大腸桿菌素-645會直接破壞DNA的雙螺旋結構,進一步解釋大腸桿菌素對健康的影響,補上長久以來缺失的一塊拼圖。」

硏究團隊中的李忠瑞指,重組大腸桿菌素的分子骨架,可以為設計及合成有效的DNA分解試劑(DNA cleaving agent),例如合成限制性内切酶或癌症化療藥物提供基礎。

是次研究由科大、加州大學柏克萊分校及加州大學聖迭戈分校斯克里普斯海洋學研究所合作進行,研究結果已於國際權威科學期刊《自然 — 化學》中發表。此外,研究團隊早期就大腸桿菌素的研究成果也發表於國際權威科學期刊《自然 — 化學生物學》。

*根據世界癌症研究基金會2018年的統計數據: https://www.wcrf.org/dietandcancer/cancer-trends/colorectal-cancer-statistics

 

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科大研究團隊研發全球首個全光學多層神經網絡 有助研發新一代人工智能硬件

香港科技大學(科大)的科研人員成功研發全球首個可用作深度機器學習(machine learning)的全光學神經網絡,不但能讓人工智慧在處理較複雜的問題上﹕例如辨識事物之間的關係或風險評估等範疇,進一步追近人類,更可在能耗大幅度降低的情況下,以光速進行運算。

一直以來,光學網絡操作僅限於線性*運算,但只靠線性運算並不能讓神經網絡模擬人類大腦運作而達至「深度學習」(Deep Learning)。人工智慧要掌握深度學習,需具有「非線性啟動函數」(non-linear activation functions) 的多層神經網絡。然而,在現存的光電混合神經網絡中,模擬人類大腦回應方式的「非線性啟動函數」乃透過電來實現,這限制了光學網絡的運算速度及能力。現在,由科大物理學系教授杜勝望及助理教授劉軍偉所帶領的研究團隊,實現了首個全光學多層神經網絡,為構建大規模的光學神經網絡推進一步。

為突破限制,研究團隊利用冷原子介質內只需極低鐳射功率便能運作的「電磁波引發透明效應」(electromagnetically induced transparency, EIT),來實現非線性啟用函式,並製作了一個雙層全光學的神經網絡。為測試成效,團隊利用這個網絡,對凝聚態物理學易辛模型(Ising model)中的有序相和無序相進行分類,發現與高性能電腦神經網絡運算的結果一樣準確。

杜教授表示﹕「雖然我們現在的成果只是一個概念驗證(proof-of-principle)的測試,但它表明新一代的光學人工智慧—即在低能耗的情況下進行快速運算,是有可能的。」

劉教授補充謂:「未來,我們希望擴大此技術的規模,構建一個更大型、更複雜的全光學神經網絡,以作圖像識別等實際應用。」

研究結果近日刊登於權威期刊《Optica》,並獲美國光學學會撰寫新聞稿介紹。

*即算術中的加減法及乘法

 

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讓 STEM教育走出桎梏的生物學

數理科技(STEM)是近年香港教育界的流行語,不少學校增撥資源添置科技配件,但在生命科學部的周敬流教授眼中,卻有偏離本質之虞。香港以填鴨式教育聞名,學生缺少通過整合不同學科知識解決問題的訓練,然而,這種能力卻是STEM教育的要素之一。主次失焦,不僅會令科學教育走進死胡同,也難以培育香港需要的發明家或科學家。

周教授說:「STEM 的真諦,在於讓學生學習探索事情的方法、態度、原則和應用規則。可惜在香港不少高中和大學,學生學習的只是資訊,忽視了背後的邏輯和分析。」

要從課本或互聯網取得資訊,可說輕而易舉,但周教授建議同學專注於探索事情的態度和方法。「舉例說,認識大自然並沒有固定的方法。教育制度應讓學生有多些機會走出課室,觀察他們感興趣的事物,而不是只訓練他們應付一式一樣的公開考試。」

周教授說自己少時極為好奇,因此選擇在大學修讀生物學;而負笈美國德州貝勒醫學院攻讀細胞生物學博士學位,則與家族裡多人患癌有關。加入科大前,他是美國紐約愛因斯坦醫學院的分子遺傳學Belfer院士。 

周教授鑽研身體形態的分子遺傳學、神經發展,以及合成和演化生物學。不論在大學校園或日常生活的各個層面,他都在努力培育新一代以科學解決問題,迎接二十一世紀的種種挑戰。

身為在香港致力提倡STEM教育的先驅,他著重訓練學生培養分析和解讀數據 、進而自行歸結原則的能力。訓練越早,效果越佳。為了達致兩大目標,他將國際生物奧林匹克(IBO)高中生國際比賽引入香港,一則希望為公眾學習生物學提供廣闊平台,但更重要的是 — 藉此改變本地學校對這門科學的看法和授課方法。

IBO香港區賽事於2018年首辦。在前一年,籌委會特別舉辦香港聯校生物奧林匹克比賽作為熱身。周教授說:「學生從中找到很多樂趣,非常興奮。這種學習生物學的模式,是他們從沒想過的!」 

傳統教育制度下,生物學不外乎背誦和關鍵字,做好這兩點,就可以拿取高分。事實證明,IBO香港區賽事改變了一貫的遊戲規則,因為它開拓了學生的視野,讓他們體驗不同的學習方法。

在589名香港IBO參賽者中,80人獲選接受三階段中第一階段的訓練,出席合共24小時的課堂。大會接著選拔 15名學生晉身第二階段的實驗課,在全長29小時的訓練裡,除了修讀分子生物學和環境生物學,亦須進行野外考察。第三階段是全長36小時的科研討論,只餘6人可以晉級,當中表現最好的4名學生,就是參與匈牙利國際生物奧林匹克大賽的首批香港代表。

在國際生物奧林匹克大賽競逐的國家及地區有73個,參賽者多達285人,競爭之烈,可想而知;但4位香港代表不負眾望,最終贏得一金、兩銀、一銅而歸。

贏得獎牌固然興奮,但參賽同學眼中的最大收穫,是在解決難題的過程中,學懂怎樣應用分析技巧和創意的實戰經驗。 

對周教授來說,成功舉辦IBO只是起點,要革新傳統學校教授生物學等理科學科的模式,仍是漫漫長路。他說:「要推行真正的 STEM教育,我們必須給學生多點彈性,尤以考試為甚。學習的精髓不在於背誦課本和關鍵字,而在於活用日新月異的科學知識。」

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香港科技大學科研團隊用超冷原子解密三維拓撲材料

複雜的拓撲材料,尤其是具有不同內部和表面性質的材料,使得量子計算免於噪聲干擾而更加健壯,近年來成為工業和學術界研究焦點。目前的量子計算機仍然脆弱,提高量子信息抗噪性是重要的研究方向。在噪聲下保持功能容錯量子計算的需求,促使了對於複雜拓撲材料的探索。

香港科技大學物理系的曹圭鵬教授與北京大學物理系的劉雄軍教授合作首次實現三維拓撲材料。此材料由超冷原子構成,製備在接近絕對零度的億分之三度。它為研究新型拓撲材料,甚至那些固體中無法製備的材料提供了途徑。這些利用超冷原子實現的新型人工合成材料使得物理學家可以去研究非凡的物質態,進而研發新型量子器件。

材料的拓撲屬性意味著材料在實際系統中可以含有一定缺陷,這也為探索材料的新奇特性提供了可能。拓撲材料研究局限於低維,因為超冷原子難以實現三維拓撲材料。三維材料的實現全面開啟拓撲材料在超冷原子中的研究,包括絕緣態,半金屬和超流在內的高維的非凡拓撲態。

在物理學家構造的人工合成晶格結構中,超冷原子的行為如同在固體中電子。實驗中,研究員們將原子的自旋與原子的運動關聯起來,形成合成拓撲材料,並且通過新的觀測手段觀測其能譜。這個合成量子材料就是三維自選軌道耦合的結點線半金屬。

這項研究最近於2019年7月29號在自然物理雜誌發表 (DOI:10.1038/s41567-019-0564-y)。

“我們的研究為研發自然界不存在的新奇的拓撲材料提供了可能”,曹教授指出,“此進展也為複雜的三維拓撲材料研究和模擬提供了平台。”

這項研究是Science Advances 4, eaao4748 (2018) 的後續工作。

Research and Innovation |
科大研究團隊共同發現內質網融合蛋白新功能 為了解遺傳性痙攣性下身麻痺病理提供新見解

香港科技大學(科大)和中國科學院(中科院)生物物理研究所的研究人員,近日發現一種名為atlastin(ATL)的酶,原來具有運送細胞內蛋白質的功能。這項全新發現有助了解遺傳性痙攣性下身麻痺(HSP)﹕一種因神經缺陷而引致下肢痙攣的罕見遺傳性疾病背後的病理。

科學界已知ATL與導致HSP有關,但出現突變的ATL如何影響正常生理機能運作仍是一個謎。最近,由科大理學院生命科學部助理教授郭玉松領導的團隊,發現了缺乏ATL的細胞,會嚴重延緩一些重要蛋白自細胞當中被移送至細胞表面的過程,從而導致我們的生理機能失靈。團隊亦揭示了一個有趣現象,便是一種經過改造的ATL,能糾正以上的情況,為尋找此遺傳性疾病的治療方法提供了新見解。上述成果由中科院生物物理研究所胡俊傑教授的團隊共同發現。

胰島素、人類抗體或依附在細胞表面負責接收訊號的蛋白,一旦在細胞中形成,便需透過分泌運輸途徑被輸送至細胞表面,以執行各項身體所需的功能。這些蛋白首先被裝載至COPII囊泡這種運輸工具之中,然後經第一站「內質網(ER)」出發,最終被傳送至細胞表面。 

內質網的管狀結構由dynamin超家族蛋白atlastin(ATL)接駁而成。郭教授及其合作夥伴利用嶄新的CRISPR/Cas9技術消除ATL後,發現缺少了ATL的細胞,其內質網管道不但無法接駁得上,COPII的形成亦告減少,影響其裝載蛋白的效率。事實上,很多內質網的出口位置亦失去招募COPII載體的能力,嚴重減慢蛋白的運送速度。研究亦進一步發現,蛋白質的流動性以及COPII的形成,可透過一種經過異變、具膜栓連而非融合功能的ATL來恢復。有關研究成果近日於科學期刊《美國國家科學院院刊》中發表(https://www.pnas.org/content/early/2019/06/24/1908409116)。

郭教授指出,有關研究為ATL出錯可如何導致遺傳性痙攣性下身麻痺症提供了新見解。他表示:「很明顯, ATL介導的膜栓連在維持蛋白於內質網結構內的流動性方面保有關鍵作用,雖然我們並無相關的醫學知識制訂治療策略,但我期望是次發現可為這罕見疾病的治療方法提供線索。」

郭教授是研究細胞內部運輸方向的專家。有關研究的資金由研資局和國家自然科學基金委員會提供。

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Let's Get Back On Track In Science (只提供英文版本)

When I was in secondary school, my physics teacher, who was among HKUST's first batch of graduates, always encouraged me and my classmates to explore scientific questions according to our interests, even though those questions are outside the syllabus.

With his encouragement and guidance, we participated in science competitions in high school, paving the way for my continuation of scientific pursuits ever since.

Many of us in the science stream then were lucky to be able to receive comprehensive scientific training and study subjects such as additional maths, biology, physics and chemistry in addition to Chinese, English and maths for the Hong Kong Certificate of Education Exam.

At the Advanced Level, we could focus on three science subjects in addition to English and Chinese.

This gave us plenty of exposure to science subjects and room to explore the areas we liked most.

Students nowadays are, however, required to take four compulsory subjects of Chinese, English, maths and liberal studies to meet university admission requirements, leading them to spend much less time on advancing their knowledge in science.

If this situation continues, Hong Kong will likely suffer from a shortage of science and engineering talents in the long run.

Over the years, I have always credited my achievements as a physicist to my incredible teachers and professors for their enlightenment and inspiration.

The desire to reciprocate when I have the opportunity to do so has always been on my mind.

In 2017, recognizing the imminent need to groom young scientists, the Hong Kong Academy of Sciences initiated the establishment of the Hong Kong Young Academy of Sciences.

Officially launched last month, it is a group of young scientists and engineers working in universities in Hong Kong.

Our members have diverse research interests, ranging from quantum physics, biomedical research, textile, civil engineering to cosmology.

Together with our 30 members, we would like to leverage on our expertise to serve our community.

In particular, we are committed to enlightening and grooming future talents in science, innovation and technology.

To kick-start our outreach efforts, and in collaboration with the Hong Kong Academy of Gifted Education, we have launched a series of talks entitled Emerging technologies - Science, Opportunities and Challenges.

In these talks, we would like to introduce the scientific principles behind some emerging technologies such as genome editing, quantum computation, artificial intelligence, science of climate change, computer assisted drug design and the latest discoveries in cosmology.

Many of these technologies are likely to have a huge impact on our economic development and way of life.

We would like to prepare our younger generation for the opportunities and challenges to come.

Currently, the young academy is also heavily involved in mentoring high school students by participating in the "Distinguished Masters, Accomplished Students" mentorship program of the Hong Kong Academy of Sciences.

We are also planning other outreach activities to serve our community.

You are welcome to visit our website https://yashk.org.hk to get connected.

The article was published in The Standard on July 17, 2019.