序言：RNA的時代
人們常說，20世紀前半是物理學的時代。時空的曲率、亞原子粒子的動力學、宇宙大爆炸與黑洞、可以摧毀整座城市或為城市供給動力的原子能釋放等等，這所有的發現引爆了科學革命，也改變了我們的日常生活。我們可以說物理學本身的大爆炸，發生的時間大約就界在愛因斯坦帶給我們E = mc2方程式的1905年，與貝爾實驗室發明出電晶體的1947年之間。
隨著20世紀下半葉到來，生物學開始將物理學逐出科學的聚光燈之外。而我在這裡所說的「生物學」，指的是DNA。畢竟這後半世紀，大致始於弗朗西斯．克里克（Francis Crick）與詹姆斯．華生（James Watson）在1953年的DNA雙螺旋重大發現，並以1990年～2003年間將我們所有DNA解碼成人類生物藍圖的「人類基因體計畫」（Human Genome Project）劃下句點。今日，人人都知道炙手可熱的DNA帶有我們的遺傳訊息，可以用來追溯我們祖先的起源、找出遺傳疾病，並解決犯罪問題。DNA甚至成了日常用語。如果我告訴你某個東西「在我的DNA中」，無論指的是對爬山的熱愛，或是對泰式料理的青睞，都表示它是我個人本質裡重要的一部分。
在DNA的時代中，大眾幾乎完全無視RNA。當然，教科書上會提到RNA，學生也會學到RNA（核糖核酸）是如何從DNA（去氧核糖核酸）雙螺旋複製而來，還有信使RNA（messenger RNA；mRNA）又是如何傳送DNA密碼以引導蛋白質合成。只是RNA從來就不是舞台上的主角。它在生物化學中就像個和聲歌手，在主唱者的陰影下努力演唱著。
然而，對科學界的人士來說，RNA過去不曾被看見的功能開始被看見了。RNA極其微小，直徑僅有1奈米左右。如果你將信使RNA分子並排堆疊起來，一根頭髮的寬度就足以排入5萬個信使RNA分子。然而，研究學者開始發現，RNA可用其多功能性來補足它在尺寸上的不足：透過像摺紙般摺疊出各種形狀，它可以輕易克服不尋常的障礙，讓它的遺傳之母DNA看起來就像只會單招套路的小角色。
DNA確實只有一招把戲，不過那個招數卻是地球上所有生命的核心。DNA就只有儲存遺傳訊息這個功能。它就像埃及木乃伊墳墓中的象形文字，或老式黑膠唱片上的凹槽，或組成電腦儲存資訊位元的1與0。DNA的工作就是待在細胞核中，儲存好訊息。若要讀取與運用訊息，就得透過蛋白質以及「RNA」的幫忙才行。
而對於RNA，我們首先要了解的是其用途極為多元。是的，它與DNA一樣，可以儲存訊息。舉例來說，許多折磨我們的病毒都跟DNA毫無關係，它們的基因是由與它們十分般配的RNA所構成。不過，儲存訊息只是RNA劇本的第一章而已。RNA與DNA不同，它們可以在活體細胞中扮演多種活躍角色。它可以像酵素（enzyme）般作用、剪接與切割其他RNA分子，或將胺基酸（amino acid）這種元件組裝成蛋白質（建構所有生命的材料）。RNA經由在染色體（chromosome）端部擴建DNA來維持幹細胞的活性，並預防老化的過程。經由操縱CRISPR這種基因編輯機制，RNA賦予我們改寫生命密碼的能力。許多科學家相信RNA甚至掌控地球生命如何開始的奧秘。
RNA終於開始走出DNA的陰影，展現自身的無限潛力。自2000年以來，與RNA相關的突破研究已造就出11位諾貝爾獎得主。RNA研究所產出的科學期刊論文數量與專利數目，每年都成長4倍。還有超過400種RNA藥物正處於開發階段，遠超出當前正在使用的RNA藥物種類。而且僅在2022年，就有超過10億美金的私募基金投注在探索RNA新研究領域的生物科技新創公司。
或許過去DNA主宰了科學界的研究，不過RNA顯然是未來的焦點。21世紀已經成為RNA的時代，而且這個世紀還有很長的路要走。
§
本書是針對有心了解RNA的民眾所撰寫的一本指南，幫助他們從字面或隱喻上了解RNA是「如何透過病毒傳播」、「如何變得爆紅」（go viral），以及RNA如何從只有生化學家關注的艱澀主題，轉變成形塑科學與醫學未來的主流話題。
我在這篇故事中所扮演的角色並不是中立的觀察者，而是積極的參與者。身為科羅拉多大學博爾德分校（University of Colorado in Boulder）的化學暨生物化學教授，我在職業生涯中投入大多數的時間研究RNA。我見證了RNA的發現，這些發現促成科學家們重新思考地球生命起源的深層問題，並揭露了關於人類健康與疾病的驚人見解。其中有些發現是出自我與自己的研究團隊，還有其他的發現是來自好友與同事的研究，所以我提到他們時會直接寫名字，不會連名帶姓地提。
整體而言，RNA研究上的這些突破，代表著DNA雙螺旋發現後最具顛覆性的科學成就之一。然而多年來，大眾還沒有足夠的知識領會這項成就，因為他們對RNA是什麼，以及為何科學家們對RNA如此熱衷，大致上只有一個模糊的概念。我一直認為這是件憾事，因為這當中隱含了許多撼動人心的故事。此外，大部分的RNA研究都是由大眾繳納的稅款支持，所以大眾應該要知道他們的投資獲得了什麼樣的回報。
接著，在2020年那個動盪的春季，RNA吸引了大眾的目光。就跟其他多數人一樣，我的工作當時也暫停了。我的實驗室被關閉，課程也被暫停。但我所研究的主題卻在突然間成了每個人談論的話題，因為新型冠狀病毒（SARS-CoV-2）這種RNA病毒所造成的Covid-19（新型冠狀病毒肺炎）當下正在全球肆虐。為了對抗這隻病毒，全球第一批RNA疫苗以空前的速度製造出來。這是建立在數十年來RNA科學基礎研究突破上的驚人成就，然而大多數人卻對這些突破的內容一無所知。
因此，民眾自然會想了解這個身兼亂世成因與可能解方的分子。於是，我從RNA科學家搖身一變成了RNA的代言人。我以揭開RNA神秘面紗為己任，先是對大眾演講，現在則是寫出你手上拿著的這本書。
我將RNA的故事分成兩個部分。第一部描繪了RNA如何展露出它是生命偉大催化劑的故事。我們將從1950年代開始，當時的實驗揭開了RNA如何精心安排蛋白質的建構（執行生物體從聚集細胞到代謝食物等多種重要功能的就是蛋白質）。然後，我們看到RNA如何透過一種稱為剪接（splicing）的奇特轉變，幫助我們人類利用DNA訊息完成比真菌、線蟲或果蠅等生物所能執行的更多功能。
接下來，故事會出現個人轉折。我講述了我的團隊如何發現核酶（ribozymes）這種催化性RNA，而核酶的存在似乎違反了「酶必定是蛋白質」的大自然基本法則。這項突破性發現讓我獲得了1989年的諾貝爾化學獎，並成為RNA歷史上的一個重大轉折。科學界從此不再將RNA分子視為被動的傳訊者，或是生物化學中的小角色，而是這個舞台上的明星。
我們下一個重大挑戰就是，繪製出被認為是達成多項奇蹟的RNA驚人結構形式（這是就連解出DNA結構的偉大華生也會自嘆不如的成就）。我們接著發現到，RNA如何成為核糖體（ribosome）背後的秘密動力來源。核糖體是我們細胞中的「控制中心」，它會讀取信使RNA所帶的密碼訊息，並運用這些訊息建構出驅動諸多生命現象的蛋白質。最後，我們將檢視RNA如何解決科學上最重大的因果關係問題，也就是去了解40億年前的地球生命是如何開始的。
本書第一部的內容在講述RNA如何維持生命，第二部則在描寫RNA如何超越大自然當前極限去改善與延長生命。我們以端粒酶（telomerase）的非凡故事做為開場，這是一種由RNA所驅動的酶，它讓我們知道永生與癌症實際上是一體兩面。接下來我們了解到，可以像開關那樣關閉細胞中信使RNA的微小RNA如何重新變換用途，以阻斷疾病的路徑。
然而，RNA不只能用於治療，也能對我們造成傷害。RNA是歷史上許多最致命病毒的遺傳物質，從小兒麻痺病毒到造成Covid-19的新型冠狀病毒都包括在內。儘管這些病毒讓RNA惡名昭彰，mRNA疫苗卻向我們展現了RNA仍然可以幫助我們轉危為安。它們不只保護我們免於Covid-19的侵害，未來或許還可以保護我們免受癌症與其他多種疾病侵害。
最後，身為CRISPR基因剪刀背後的動力，RNA對DNA展開了絕地大反攻。賦予我們重塑DNA能力的CRISPR基因剪刀，已經徹底革新了基礎科學研究，在醫學與減緩氣候變遷上也即將有深度的應用。事實證明，RNA促成大自然眾多重要作用的多功能性，也成為生醫工程師重新定義我們所知生命的完美工具。
人們常說，20世紀前半是物理學的時代。時空的曲率、亞原子粒子的動力學、宇宙大爆炸與黑洞、可以摧毀整座城市或為城市供給動力的原子能釋放等等，這所有的發現引爆了科學革命，也改變了我們的日常生活。我們可以說物理學本身的大爆炸，發生的時間大約就界在愛因斯坦帶給我們E = mc2方程式的1905年，與貝爾實驗室發明出電晶體的1947年之間。
隨著20世紀下半葉到來，生物學開始將物理學逐出科學的聚光燈之外。而我在這裡所說的「生物學」，指的是DNA。畢竟這後半世紀，大致始於弗朗西斯．克里克（Francis Crick）與詹姆斯．華生（James Watson）在1953年的DNA雙螺旋重大發現，並以1990年～2003年間將我們所有DNA解碼成人類生物藍圖的「人類基因體計畫」（Human Genome Project）劃下句點。今日，人人都知道炙手可熱的DNA帶有我們的遺傳訊息，可以用來追溯我們祖先的起源、找出遺傳疾病，並解決犯罪問題。DNA甚至成了日常用語。如果我告訴你某個東西「在我的DNA中」，無論指的是對爬山的熱愛，或是對泰式料理的青睞，都表示它是我個人本質裡重要的一部分。
在DNA的時代中，大眾幾乎完全無視RNA。當然，教科書上會提到RNA，學生也會學到RNA（核糖核酸）是如何從DNA（去氧核糖核酸）雙螺旋複製而來，還有信使RNA（messenger RNA；mRNA）又是如何傳送DNA密碼以引導蛋白質合成。只是RNA從來就不是舞台上的主角。它在生物化學中就像個和聲歌手，在主唱者的陰影下努力演唱著。
然而，對科學界的人士來說，RNA過去不曾被看見的功能開始被看見了。RNA極其微小，直徑僅有1奈米左右。如果你將信使RNA分子並排堆疊起來，一根頭髮的寬度就足以排入5萬個信使RNA分子。然而，研究學者開始發現，RNA可用其多功能性來補足它在尺寸上的不足：透過像摺紙般摺疊出各種形狀，它可以輕易克服不尋常的障礙，讓它的遺傳之母DNA看起來就像只會單招套路的小角色。
DNA確實只有一招把戲，不過那個招數卻是地球上所有生命的核心。DNA就只有儲存遺傳訊息這個功能。它就像埃及木乃伊墳墓中的象形文字，或老式黑膠唱片上的凹槽，或組成電腦儲存資訊位元的1與0。DNA的工作就是待在細胞核中，儲存好訊息。若要讀取與運用訊息，就得透過蛋白質以及「RNA」的幫忙才行。
而對於RNA，我們首先要了解的是其用途極為多元。是的，它與DNA一樣，可以儲存訊息。舉例來說，許多折磨我們的病毒都跟DNA毫無關係，它們的基因是由與它們十分般配的RNA所構成。不過，儲存訊息只是RNA劇本的第一章而已。RNA與DNA不同，它們可以在活體細胞中扮演多種活躍角色。它可以像酵素（enzyme）般作用、剪接與切割其他RNA分子，或將胺基酸（amino acid）這種元件組裝成蛋白質（建構所有生命的材料）。RNA經由在染色體（chromosome）端部擴建DNA來維持幹細胞的活性，並預防老化的過程。經由操縱CRISPR這種基因編輯機制，RNA賦予我們改寫生命密碼的能力。許多科學家相信RNA甚至掌控地球生命如何開始的奧秘。
RNA終於開始走出DNA的陰影，展現自身的無限潛力。自2000年以來，與RNA相關的突破研究已造就出11位諾貝爾獎得主。RNA研究所產出的科學期刊論文數量與專利數目，每年都成長4倍。還有超過400種RNA藥物正處於開發階段，遠超出當前正在使用的RNA藥物種類。而且僅在2022年，就有超過10億美金的私募基金投注在探索RNA新研究領域的生物科技新創公司。
或許過去DNA主宰了科學界的研究，不過RNA顯然是未來的焦點。21世紀已經成為RNA的時代，而且這個世紀還有很長的路要走。
§
本書是針對有心了解RNA的民眾所撰寫的一本指南，幫助他們從字面或隱喻上了解RNA是「如何透過病毒傳播」、「如何變得爆紅」（go viral），以及RNA如何從只有生化學家關注的艱澀主題，轉變成形塑科學與醫學未來的主流話題。
我在這篇故事中所扮演的角色並不是中立的觀察者，而是積極的參與者。身為科羅拉多大學博爾德分校（University of Colorado in Boulder）的化學暨生物化學教授，我在職業生涯中投入大多數的時間研究RNA。我見證了RNA的發現，這些發現促成科學家們重新思考地球生命起源的深層問題，並揭露了關於人類健康與疾病的驚人見解。其中有些發現是出自我與自己的研究團隊，還有其他的發現是來自好友與同事的研究，所以我提到他們時會直接寫名字，不會連名帶姓地提。
整體而言，RNA研究上的這些突破，代表著DNA雙螺旋發現後最具顛覆性的科學成就之一。然而多年來，大眾還沒有足夠的知識領會這項成就，因為他們對RNA是什麼，以及為何科學家們對RNA如此熱衷，大致上只有一個模糊的概念。我一直認為這是件憾事，因為這當中隱含了許多撼動人心的故事。此外，大部分的RNA研究都是由大眾繳納的稅款支持，所以大眾應該要知道他們的投資獲得了什麼樣的回報。
接著，在2020年那個動盪的春季，RNA吸引了大眾的目光。就跟其他多數人一樣，我的工作當時也暫停了。我的實驗室被關閉，課程也被暫停。但我所研究的主題卻在突然間成了每個人談論的話題，因為新型冠狀病毒（SARS-CoV-2）這種RNA病毒所造成的Covid-19（新型冠狀病毒肺炎）當下正在全球肆虐。為了對抗這隻病毒，全球第一批RNA疫苗以空前的速度製造出來。這是建立在數十年來RNA科學基礎研究突破上的驚人成就，然而大多數人卻對這些突破的內容一無所知。
因此，民眾自然會想了解這個身兼亂世成因與可能解方的分子。於是，我從RNA科學家搖身一變成了RNA的代言人。我以揭開RNA神秘面紗為己任，先是對大眾演講，現在則是寫出你手上拿著的這本書。
我將RNA的故事分成兩個部分。第一部描繪了RNA如何展露出它是生命偉大催化劑的故事。我們將從1950年代開始，當時的實驗揭開了RNA如何精心安排蛋白質的建構（執行生物體從聚集細胞到代謝食物等多種重要功能的就是蛋白質）。然後，我們看到RNA如何透過一種稱為剪接（splicing）的奇特轉變，幫助我們人類利用DNA訊息完成比真菌、線蟲或果蠅等生物所能執行的更多功能。
接下來，故事會出現個人轉折。我講述了我的團隊如何發現核酶（ribozymes）這種催化性RNA，而核酶的存在似乎違反了「酶必定是蛋白質」的大自然基本法則。這項突破性發現讓我獲得了1989年的諾貝爾化學獎，並成為RNA歷史上的一個重大轉折。科學界從此不再將RNA分子視為被動的傳訊者，或是生物化學中的小角色，而是這個舞台上的明星。
我們下一個重大挑戰就是，繪製出被認為是達成多項奇蹟的RNA驚人結構形式（這是就連解出DNA結構的偉大華生也會自嘆不如的成就）。我們接著發現到，RNA如何成為核糖體（ribosome）背後的秘密動力來源。核糖體是我們細胞中的「控制中心」，它會讀取信使RNA所帶的密碼訊息，並運用這些訊息建構出驅動諸多生命現象的蛋白質。最後，我們將檢視RNA如何解決科學上最重大的因果關係問題，也就是去了解40億年前的地球生命是如何開始的。
本書第一部的內容在講述RNA如何維持生命，第二部則在描寫RNA如何超越大自然當前極限去改善與延長生命。我們以端粒酶（telomerase）的非凡故事做為開場，這是一種由RNA所驅動的酶，它讓我們知道永生與癌症實際上是一體兩面。接下來我們了解到，可以像開關那樣關閉細胞中信使RNA的微小RNA如何重新變換用途，以阻斷疾病的路徑。
然而，RNA不只能用於治療，也能對我們造成傷害。RNA是歷史上許多最致命病毒的遺傳物質，從小兒麻痺病毒到造成Covid-19的新型冠狀病毒都包括在內。儘管這些病毒讓RNA惡名昭彰，mRNA疫苗卻向我們展現了RNA仍然可以幫助我們轉危為安。它們不只保護我們免於Covid-19的侵害，未來或許還可以保護我們免受癌症與其他多種疾病侵害。
最後，身為CRISPR基因剪刀背後的動力，RNA對DNA展開了絕地大反攻。賦予我們重塑DNA能力的CRISPR基因剪刀，已經徹底革新了基礎科學研究，在醫學與減緩氣候變遷上也即將有深度的應用。事實證明，RNA促成大自然眾多重要作用的多功能性，也成為生醫工程師重新定義我們所知生命的完美工具。
