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    【EPV】研之有物:見微知著!中研院的21堂生命科學課_中央研究院研之有物編輯群


    作者: 中央研究院研之有物編輯群
    出版社: 時報文化
    ISBN: 9789571395746
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    原價: 239
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    商品數量:1
    商品編號: O_U102446266

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    [商品主貨號] U102446266

    [ISBN-13碼] 9789571395746

    [ISBN] 9571395749

    [作者] 中央研究院研之有物編輯群

    [出版社] 時報文化

    [出版日期] 2021/12/22

    [內容簡介] (出版商制式文字, 不論標題或內容簡介是否有標示, 請都以『沒有附件、沒有贈品』為參考。)

    •台灣如何因應全球大流行的COVID-19?

    •改造細菌基因,可以把二氧化碳變燃料?

    •觀察真菌獵殺線蟲,竟能為寄生蟲防治提供解方?

    •人類的斷肢有可能像斑馬魚一樣再生嗎?

    •解析大腦神經為什麼會退化,看見治癒失智症的曙光?

    •RNA剪接、CRISPR基因編輯,預約醫療大未來?

    與中研院院長廖俊智、院士陳建仁等21位生命科學家,

    一同打開好奇心、激發想像力,

    體驗機智的生命科學大發現!

    中央研究院生命科學組匯集台灣頂尖科學家,研究範圍涵蓋植物、生醫、農業、生化、基因等領域,是世界級的生命科學研究重鎮。

    透過《研之有物:見微知著!中研院的21堂生命科學課》,中研院研之有物團隊以21位科學家的研究成果為藍本,帶領我們參訪台灣最高學術殿堂,將艱深的學術論文轉譯為淺顯易懂的科普知識,一窺中研院在生命科學領域的重大突破與創見。

    本書採訪、收錄以下中央研究院學者團隊之研究成果(依文章序排列):

    薛雁冰(分子生物研究所副研究員)

    陳振輝(細胞與個體生物學研究所助研究員)

    曾庸哲(細胞與個體生物學研究所助研究員)

    王忠信(生物多樣性研究中心副研究員)

    鍾國芳(生物多樣性研究中心副研究員)

    李秀敏(分子生物研究所特聘研究員)

    蔡宜芳(分子生物研究所特聘研究員)

    王中茹(植物暨微生物研究所副研究員)

    徐麗芬(農業生物科技研究中心特聘研究員)

    林榮信(應用科學研究中心、生醫轉譯研究中心、生物醫學科學研究所合聘研究員)

    潘文涵(生物醫學科學研究所特聘研究員)

    陳儀莊(生物醫學科學研究所特聘研究員)

    陳俊安(分子生物研究所副研究員)

    謝世良(基因體研究中心特聘研究員)

    胡哲銘(生物醫學科學研究所副研究員)

    陳建仁(院士、基因體研究中心特聘研究員)

    林曉青(生物化學研究所副研究員)

    廖俊智(中央研究院院長)

    郭沛恩(院士、生物醫學科學研究所特聘研究員兼所長)

    鄭淑珍(院士、分子生物研究所特聘研究員)

    凌嘉鴻(生物化學研究所助研究員)

    名家推薦

    也許我們能和斑馬魚一樣,擁有再生能力?也許我們能夠治療漸凍症?跟著科學家們,來一趟神奇的生命探索之旅吧!——阿任叔叔(科普圖文作家)

    覺得中研院裡的研究很高深莫測嗎?有這本書的生動介紹,拉近這些研究與我們的關係,我們終於可以一窺堂奧,看到這些有趣的研究成果了。——阿簡老師(阿簡生物筆記站長)

    中研院是做研究的地方,聽起來好像很厲害,但是做什麼研究才能說厲害呢?趕快看書,不然人家會以為我不懂!——寒波(盲眼的尼安德塔石器匠板主)

    科學的本質就是探索未知,除了要有好奇心,還要有無可救藥的熱情,《研之有物:見微知著!中研院的21堂生命科學課》將讓你了解中研院科學家的熱情所在!——焦傳金(國立自然科學博物館館長)

    這些無奇不有的科學發現實在太有趣了,不能只有專家學者知道!這本好書,將為你揭開實驗室的面紗,見識到生命科學家們努力不懈的初衷!——黃貞祥(國立清華大學生命科學系助理教授)

    以前我們總覺得科學教科書裡面的科學家好像都跟我們不太有關係,因為距離感很重,但本書卻打破了這樣的印象,原來傑出的科學研究可以很靠近。《研之有物:見微知著!中研院的21堂生命科學課》集結了中研院生命科學方面最頂尖的研究成果,透過精緻的知識引介與人物側寫,讓我們一窺科技發展的前沿及生命的奧祕,更了解科學背後動人的故事。——黃俊儒(國立中正大學通識教育中心特聘教授、科學傳播教育研究室主持人)

    一進中研院大門,就是生命科學實驗室聚集的生科大道。那裡孕育著什麼樣的研究,有著怎麼樣的科學家?這本書打開了一扇窗,將艱深難懂的生醫論文,轉化成淺顯易懂的故事,帶我們一窺堂奧。——趙軒翎(《科學月刊》執行總監)

    科學硬道理在中研院的努力之下逐漸軟化開啟,看尖端的研究成果也看科學家的人生,更看見無可限量的未來憧憬。——潘彥宏(北一女中生物科教師)

    從大分子、單細胞到複雜的動植物及人,到處充滿了生命的驚奇及大自然奧妙的構思。藉著細膩的觀察及創意的實證,科學家逐漸將混淆的生命化為邏輯及科學的規章。中研院的生命科學家們在這場人類解析生命奧祕的競賽中也不缺席,就讓他們娓娓道來,加以精彩的插圖,帶領你探索21則生命燦爛的新世界吧!What a treat!——賴明詔(中央研究院院士)

    怪奇事物所所長

    阿任叔叔(科普圖文作家)

    阿簡老師(阿簡生物筆記站長)

    寒波(盲眼的尼安德塔石器匠板主)

    焦傳金(國立自然科學博物館館長)

    黃俊儒(國立中正大學通識教育中心特聘教授、科學傳播教育研究室主持人)

    黃貞祥(國立清華大學生命科學系助理教授)

    新夭Brainholesky(圖文創作者)

    趙軒翎(《科學月刊》執行總監)

    潘彥宏(北一女中生物科教師)

    鄭國威(泛科知識公司知識長)

    賴明詔(中央研究院院士)

    ——專業推薦(依姓名筆畫排序)
    中央研究院|研之有物編輯群研之有物,取諧音自「言之有物」,出處為《周易•家人》:「君子以言有物而行有恆。」盼以具體的研究案例、真實的研究員生活,揭開中央研究院神祕的面紗,讓人們了解研究成果如何應用到生活中,繼而體會研究的價值與重要性。中央研究院以理論結合實作、專業結合想像力,探索生活中各種問題的答案。每個研究成果,都不只是一篇論文,而是推進生活邁向永續的動力。惟鑑於論文的專業嚴肅性,難以令社會大眾親近、了解研究的意義與樂趣,進而運用各種理論與發現,因此中央研究院於2017年推出「研之有物」科普網站,期待成為中央研究院與社會大眾的橋梁,將論文轉化為親民易懂的報導,邀請大家一起永保好奇心,探索這世界!曾出版《研之有物:穿越古今!中研院的25堂人文公開課》。
    推薦序走進研究最前線╱廖俊智(中央研究院院長)2017年,中央研究院創立「研之有物」科普網站,4年多來橫跨數理科學、生命科學與人文社會科學三大領域,累積快300篇的科普文章,帶領讀者深入各個研究現場,揭開學術研究的神祕面紗,了解成果如何應用在生活之中,也縮短了專業嚴肅的學問與讀者間的距離。近年來陸續有同仁、朋友跟我分享,「研之有物」文章真的讓更多人知道中研院在做什麼!中研院生命科學的研究在許多領域都有突破性的進展,例如在轉譯醫學領域,在病人用藥前進行基因篩檢,可降低藥害風險、找出疾病致病基因,亦是未來發展精準醫學之關鍵;此外,為維繫糧食安全與生物多樣性,我們深入研究植物與農作物如何因應氣候變遷,並進行跨領域的南島研究,提出對生態保育的政策建言。本書收錄的21篇文章,涵蓋生物、醫療藥物及生物工程三大面向,帶領讀者從認識生物體開始,逐漸拓展至藥物治療應用面,甚至了解如何進一步利用生物工程預測未來、幫助人類避開危機,由小至大,見微知著。從破解動、植物基因密碼,可發現細胞遺傳關鍵機制、尋找斷肢再生的醫學潛力,亦能證實南島語族遷徙歷史;藉由科學研究及分析,人們更加了解吃進身體裡的食物、藥物,如何在體內發生反應、對人體有何影響;利用電腦運算,可模擬藥物作用,降低藥害風險;藉由重新設計細胞的功能,設法解決淨零碳排的難題;甚至探索與利用基因編輯技術,設法預防疾病。每項研究的起源都萌生於探索未知,每篇文章都能感受到科學家日以繼夜追尋真理的熱情,值得用心體會。
    推薦序走進研究最前線╱廖俊智(中央研究院院長)Part 1生物實驗室

    Lesson 1真菌如何獵殺線蟲?——寄生蟲治療藥物的新曙光!

    Lesson 2人類的斷肢有可能再生嗎?——探索斑馬魚的超強再生力

    Lesson 3海洋生物的保命機制——代謝能力的演化研究

    Lesson 4人蟻大戰出奇招——破解紅火蟻超級基因,研發更有效的防治餌藥

    Lesson 5藏在構樹DNA裡的族群遷徙史——從生物地理學佐證南島語族「出台灣說」

    Lesson 6破解遠古以來的植物謎團——發現葉綠體蛋白質橋梁的李秀敏

    Lesson 7植物吸收養分的關鍵閘道——蔡宜芳的植物硝酸鹽轉運蛋白研究

    Lesson 8調控減數分裂遺傳重組的新契機——破解玉米「基因洗牌」的關鍵角色Part 2未來醫療站

    Lesson 9草藥怎麼吃才有效?——草藥科學的重大突破

    Lesson 10藥物如何在體內發生反應?——運用電腦模擬,降低藥害風險

    Lesson 11飲食如何讓人生病?——在「乾」的實驗室裡找答案

    Lesson 12大腦神經退化的原因是什麼?——神經科學的研究與突破

    Lesson 13當體內的油電混和車「電池壞了」!——從運動神經元退化機制,尋找治療漸凍症的契機

    Lesson 14另闢一條對抗病毒的蹊徑——讓免疫力發揮正常效益的創新研究

    Lesson 15新冠肺炎疫苗研發的創新觀點——以奈米粒子模仿冠狀病毒,製作更具保護力與安全性的肺炎疫苗

    Lesson 16台灣如何面對全球大流行的COVID-19?——陳建仁談台灣的防疫經驗Part 3生科設計家

    Lesson 17真菌也會玩樂高?——「天然物」合成的關鍵發現

    Lesson 18改造細菌,把二氧化碳變燃料!——廖俊智與合成生物學

    Lesson 19破解遺傳疾病、評估大眾用藥風險——全基因組分析的應用

    Lesson 20尋訪住在我們身體裡的剪接師——鄭淑珍的RNA剪接研究

    Lesson 21人體基因編輯是什麼?——認識基因神剪CRISPR
    Lesson 2 人類的斷肢有可能再生嗎?——探索斑馬魚的超強再生力為什麼研究「再生」?

    自然界中,許多生物受傷後具有再生能力,但這些組織與器官是如何啟動再生機制,至今人們仍然不

    了解。例如,切斷蠑螈的手臂和手指後,不同部位再生所費時間竟然相同。在中央研究院細胞與個體生物學研究所,陳振輝助研究員與其團隊以基因突變篩檢出失去再生能力的斑馬魚,進行深入研究,了解再生過程的分子機制,期待有助於再生醫學的發展。奇蹟般的再生現象

    在古代,希臘神話中的怪物九頭蛇與海格力斯大戰時,九頭蛇被砍斷頭顱後,依然可以不斷再生。在現代,X戰警系列電影中的金鋼狼,也具有驚人的再生能力,傷口可以在短短幾秒內恢復。從這兩個故事看來,人類從古至今對於再生能力既恐懼又羨慕。

    再生並非只存在傳說中,自然界也有奇蹟存在。例如,蠑螈雖然是低等的脊椎動物,但被截斷的手臂切面,可以再長出神經、骨頭、血管與肌肉,再生出完好的手臂。斑馬魚和渦蟲,也都具有很強的再生能力。

    蠑螈需花費30至60天才能再生一隻完好的手臂,不像金鋼狼那麼誇張,可以瞬間再生。若我們能了解哪些關鍵會觸發再生機制,也許有一天人類也可以斷肢再生。

    「所有人都對再生充滿好奇,並不是科學界才對再生研究感興趣!」在陳振輝的實驗室,研究團隊正透過科學化的方法,以斑馬魚為研究對象,探索傷口修復和複雜組織再生過程中,細胞們如何運作。透過斑馬魚畫出「再生藍圖」

    人類的肢幹一旦受傷斷裂,傷口癒合後就形成斷肢,無法再生。但若是截斷斑馬魚尾鰭、用強光破壞視網膜、用細針攪爛一側的大腦,甚至剪斷脊椎這種極端方式,斑馬魚都可以完整再生這些複雜組織。

    以脊椎再生的模式為例,斑馬魚一開始會因缺乏神經連結而無法游動,躺在水缸底兩個禮拜。但待神經重新連結、表皮癒合後,斑馬魚又能再次成為一尾活龍、游來游去。

    透過這段觀察,陳振輝團隊想回答兩個問題:再生如何發生?再生機制為何會發生?

    再生機制,涵蓋「表皮細胞、骨頭細胞、神經細胞、血管細胞」等運作,就像蓋一棟房子,需要不同材料、不同步驟進行。例如,殘肢上的細胞要移動、增生、分化產生新組織,同時也要跟舊組織溝通整合,來讓新生的手臂或尾鰭具有正確的大小、形狀和功能。

    陳振輝透過Skinbow 多顏色細胞標誌技術,以不同顏色標記斑馬魚體內不同的細胞,觀察再生過程中細胞如何移動、如何分工合作,藉以建立一個工程藍圖。同時,他也運用這個藍圖,展示三維空間裡各式細胞如何互動、建構複雜組織,並觀察能否移轉到其他生物上,也蓋出名叫「再生」的房子。Skinbow:研究再生的繽紛驚喜

    環顧陳振輝實驗室中色彩繽紛的照片,彷彿藝廊展覽。照片中所採用的Skinbow多顏色細胞標誌技術,點子來自於陳振輝在美國杜克大學醫學院的細胞生物學實驗室中,看到同事維卡斯‧古普塔(Vikas Gupta)成功運用Brainbow 多顏色細胞標誌技術,觀察斑馬魚心臟的發育與再生過程。

    Brainbow 由吉恩‧李維特(Jean Livet)於2007年時建立,當初是為了觀察老鼠的大腦神經,其基本原理是利用基因重組的方式,隨機將紅綠藍三原色的螢光蛋白,在個別細胞表現不同的數量。如此一來便能產生上百種顏色,標誌每一顆細胞,並且觀察每顆細胞的運作狀態。

    結合「大腦」的實驗及「彩虹」般的色彩表現,這個以多種顏色標誌細胞的技術,便稱為Brainbow。

    陳振輝團隊轉化這項技術,運用在觀察斑馬魚的「表皮細胞」再生運作情況,並另名為Skinbow。經過多次嘗試,Skinbow能用來標誌斑馬魚成魚的尾鰭、鱗片、眼球,甚至整隻仔魚的表皮細胞。

    透過Skinbow多顏色細胞標誌,便可以觀察斑馬魚的表皮細胞,在面對不同的傷害情況下,如何集體反應、合作、再生以恢復原來的組織構造。例如,截斷斑馬魚的尾鰭後,細胞的移動方式是「沿著截斷面長出新細胞」,或是「舊組織的細胞往截斷面移動」?透過Skinbow可以清楚看見,舊組織的表皮細胞會先移動到截斷面要增生的部分,然後才在原本的舊組織長出新的表皮細胞。以斑馬魚作為模式生物

    為何團隊會以斑馬魚來研究?而不選擇蠑螈?

    陳振輝表示,斑馬魚作為模式生物已經有20多年的歷史,過去科學家利用斑馬魚胚胎來研究脊椎動物的發育過程,累積了足夠的遺傳學基礎和研究方法。

    另一個主因是斑馬魚在高倍顯微鏡下較易觀察。光是在顯微鏡下觀察尾鰭再生的研究過程就要持續20天,但蠑螈太大隻,要持續進行觀察較為困難,因此容易麻醉、方便長時間觀察是考量因素之一。生長週期也是另一關鍵,蠑螈的成長過程需要數年,而斑馬魚只要3個月。我們將斑馬魚泡在誘發基因突變的藥水中,觀察哪隻斑馬魚在截斷尾鰭後變得「不會再生」,由此找出是哪個基因出問題,這可能就是觸發再生的關鍵。「目前實驗室已經在突變魚身上,找到一些影響再生反應的基因,這樣尋找的過程平均要花上一年半到兩年的時間。」陳振輝說,神情充滿著耐心。斑馬魚的再生機制,可能應用到人類身上嗎?

    陳振輝認為,再生機制的研究植基於這些「再生能力突出」的「模式生物」,如果沒有利用這些生物,將很難建立複雜組織再生的模型。而基礎研究的結果,可以進一步在老鼠模式驗證,例如利用斑馬魚的再生機制去調控實驗老鼠的再生能力。

    但為什麼人類具有跟斑馬魚一樣的再生基因,卻無法再生?這關乎基因調控的狀況。

    再生機制牽涉到兩個層面,第一是人類缺乏斑馬魚具有的特定再生基因;第二則是基因調控的狀況。例如,斑馬魚的基因A在受傷後會被活化,但人的基因A卻不會被活化,因此人類無法再生,這可能牽涉到基因的上游DNA序列的調控,影響負責再生的基因表現。

    至於其他魚類是否也具有再生能力?陳振輝表示,許多硬骨魚類都有。生物的再生能力,對繁衍優勢沒有直接的影響,因此生物可以在漫長的演化過程中獲得或失去再生能力。例如並非所有的渦蟲及蠑螈都會再生,部分譜系的渦蟲及蠑螈在演化過程中,也失去了再生複雜組織的能力。

    人類敬畏又渴望再生的能力,但在演化過程中,大自然選擇性地讓部分物種保留再生的特權。陳振輝播放著已看過無數次的蠑螈再生斷肢的影片,驚嘆地說:「再看幾次還是會覺得這些動物怎麼這麼神奇,讓人不斷地想了解為什麼牠們有這樣的能力?」【科學會客室】從動物身上問對問題,就可以找到答案!——陳振輝專訪渦蟲最多可以切幾段?

    陳振輝曾在中研院的院區開放日,進行一場題為「如何跟金鋼狼一樣再生複雜組織?」的科普演講,有個國小小朋友問:「渦蟲最多可以切成幾段?」從回答這個問題開始,距離了解再生的機制就已更近一步。而若能掌握越多,便可望更理解如何增強人類組織與器官的再生能力。擁有再生能力,就能長生不老嗎?

    長生不老確實有可能,渦蟲在實驗室生存條件充足的情況下,會將自己的身體拉成兩段,各自再生成完整的個體。這種可以極端再生的生物,存活的時間似乎沒有限制。

    一百年前, 美國諾貝爾獎科學家摩根(Thomas Hunt Morgan)曾經將渦蟲切成279塊,發現這279塊的渦蟲組織仍然可以再生成個別完整的渦蟲。

    但若以最小的單位,也就是「一顆細胞」能不能再生為「一隻渦蟲」呢?答案是也有機會。將渦蟲分解成單細胞(幹細胞),只憑這個幹細胞無法再生成一隻渦蟲。但若將這個幹細胞移植到被放射線照過的渦蟲身上,原本被放射線照過的渦蟲會在兩週左右死亡,但植入幹細胞的渦蟲卻可以重新恢復再生能力,宛如殭屍復活!

    再生的最小單位似乎是幹細胞,但這是在有限制的條件下,且環境也相當重要。為什麼會想研究「再生」?分享一下你的研究進程。

    十多年前當我在陽明大學生化所讀碩班時,研究的是中草藥抗氧化物的純化,當時對免疫學很感興趣,在中研院擔任助理、剛到美國時,也待在免疫學研究的實驗室。一直到就讀達特茅斯學院遺傳所博士班二年級時,我才轉換到「生理時鐘」的研究。

    當時我以「麵包黴菌」來觀察光反應對生理時鐘的影響,黴菌為了適應光線會產生「胡蘿蔔素」,但產生到一定的量便會停止。

    研究黴菌感受光的調控機制,竟可以在分子層面上解釋其他生物對光的適應性,這系列的實驗非常有意思。因為黴菌跟老鼠、人類一樣擁有生理時鐘,也會受到光反應調控,然而,在老鼠與人類身上解釋基礎光反應對生理時鐘的影響十分複雜,用黴菌來研究較為容易。

    在博士班畢業的前一年,大部分的博士生會轉換題目來增強學術能力,那時我反覆問自己:「什麼是用一輩子來研究都會覺得有趣的主題?」

    偶然間,我看到幾篇「渦蟲再生」的研究論文,覺得主題很酷,便申請了幾個研究再生機制的實驗室,後來到了美國杜克大學醫學院的細胞生物學實驗室,與教授肯尼斯‧波斯(Kenneth D. Poss)相談甚歡,加入了這個以斑馬魚模式研究再生的團隊。這個實驗室從我剛加入時大概7、8個人,現在已經是20個人的規模,顯示學界對於再生研究有濃厚興趣。從斑馬魚可以得知哪些「再生」訊息?

    在肯尼斯‧波斯教授的實驗室中,目前三分之二的人都以斑馬魚研究「心臟再生」。根據衛福部的統計,台灣的第二大死因是心臟病,而美國則位居第一名,因此美國非常重視心臟的再生研究,也投入大量的資源支持。另外,用斑馬魚研究「脊椎再生」也是熱門的項目。

    我自己是研究斑馬魚的「尾鰭再生」,有些人會覺得尾鰭是魚類特有的器官,但尾鰭再生的研究,也許有機會應用於生物的斷肢再生。

    目前我們的實驗室,主要探索斑馬魚的「表皮細胞」如何分工合作進行再生,下一步也想觀察斑馬魚尾鰭中其他細胞的運作,比如若把尾鰭「神經細胞」的連結截斷,再生將無法進行。也就是說,了解各種細胞扮演的角色,是了解再生反應重要的方向。

    從斑馬魚這種「模式動物」去提出問題,需植基於許多理論基礎,要建立模型、問對問題,這個過程的確很難。

    當時實驗室老闆肯尼斯是建立斑馬魚心臟再生模型的初始者,他曾說過一開始要說服人們,以斑馬魚來做心臟再生的研究,大家都很難理解。很幸運的是,現在我們已經可以站在這些巨人的肩膀上進行研究。研究「再生」的過程,遇到哪些困難?

    建立「研究工具」最花時間。

    研究老鼠與果蠅的科學家非常多,可以共享某些研究工具。然而,利用斑馬魚成魚做研究,大部分的研究工具需要自己建立(例如斑馬魚表皮細胞的多顏色標誌工具Skinbow),因此實驗時間拉得很長。

    斑馬魚的生長週期是3個月,但建立新的基因轉殖魚作為研究工具,一般就要花上6個月到9個月的時間。研究過程,曾有想放棄的時候嗎?

    在我讀書的年代,生命科學是明日產業,生命科學系是非常熱門的明星科系,但現在大環境的就業情況並不理想,學生也紛紛退卻。我的想法是,要預測明日產業是困難的,你只能問自己的興趣在哪裡,只要真的有熱情,就有理由和動力堅持下去。

    無論是我在博士班的黴菌生理時鐘研究,或現在進行的斑馬魚再生研究,都是從黴菌和斑馬魚這種模式生物來回答問題。利用各種模式生物的強項,問適合的問題,就可以找到答案。再生能力的研究是個新領域,就像一座待探索的西部大荒野,還有好多問題可以問。

    這些發現除了以研究論文呈現,我也希望能與小朋友分享。因為小朋友非常有創造力,也許能問出我們想不到的問題。如果學校有興趣,實驗室可以提供斑馬魚與如何觀察尾鰭再生的方法,讓小朋友一起動手體驗再生的科學奧妙。

    每天一早,我都很期待到實驗室,看看研究有什麼進展,想知道自己設計的實驗有什麼發現,很像「我一直在做自己喜歡做的事,還剛好有人給我薪水」。雖然研究工作並非一帆風順,實驗結果不如預期是科學常態,永遠都有不同的挑戰需要克服。但若是能重新選擇,我還是希望自己可以走上學術研究這條路。)

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