科學人 8月號/2021 第234期

AI設計精準抗疫蛋白

天然蛋白質包辦了人體中的各種功能。現在科學家運用人工智慧技術設計合成蛋白質，打造新的冠狀病毒疫苗，在生物工程學界掀起革命。

撰文／賈可布森（Rowan Jacobsen） 
翻譯／鄧子衿

去年4月某個星期五深夜，華爾斯
（Lexi Walls）獨自待在美國華盛頓大學的實驗室中，焦急地等待自己研究生涯中最重要的實驗結果。她是年輕的結構生物學家，研究主題是冠狀病毒，這三個月來她夜以繼日工作，為的是研發出新疫苗，以對抗這類席捲全世界的病毒。她希望自己的研究成功之後，不只能對抗冠狀病毒，還能在疫苗學界掀起革命浪潮，讓人們得以應付流感以至愛滋病等各種傳染病。華爾斯所研發的疫苗不同以往，並非從天然成份衍生而來，而是先在電腦上設計微小的人工蛋白，再把這些蛋白質組合而成。這種疫苗的誕生，代表了人類在重新設計生物性功能上跨出了非凡的一步。

蛋白質是精巧的奈米機器，彼此持續互動，完成生物體內絕大部份的任務。蛋白質能夠消化食物、對抗入侵者、修復損傷、感覺周圍環境、攜帶訊息、產生力氣、協助思想形成，以及複製。蛋白質由許多稱為胺基酸的簡單分子串接起來、扭轉摺疊成為立體形狀，這是由構成蛋白質的胺基酸種類、數量與排列順序所決定。不同的胺基酸彼此會相吸或相斥，交互作用非常複雜，但是作用的尺度又非常小（平均每個細胞中有4200 萬個蛋白質），以致於我們長久以來都無法釐清長串胺基酸彼此自動扭曲成立體形狀的規則，許多專家甚至認為不可能辦得到。

但是人工智慧（artificial intelligence, AI）領域的突破與見解，揭露了蛋白質的秘密。科學家正在打造能改變世界的生化工具，有了這些工具，就能利用蛋白質建造奈米機器人，一對一去對抗造成傳染病的病原體，或是把訊息傳遍身體各處，也能拆解有毒分子，還可吸收光線。科學家能依照目的，創造出所需的生物特性。

華爾斯身處這個領域的最前緣，她在2019年12月取得博士學位，研究的是冠狀病毒結構，成為當時這個超小眾領域中的一員。她說：「五年來我一直想讓人們相信，冠狀病毒很重要。我在博士學位口試一開始時便說：『我要告訴諸位這類病毒可能造成大流行的原因，而我們將無力面對這種大流行。』結果不幸言中。」
2019 年12月，當中國武漢有神秘新型肺炎的消息傳出後，華爾斯便猜測那是由冠狀病毒引起。去年1月20日，新型冠狀病毒（簡稱新冠病毒）的基因組序列公佈，華爾斯和自己所在華盛頓大學實驗室的主持人、生物化學家韋斯勒（David Veesler）熬夜分析這個基因組。華爾斯說，覺得當時有無比的專注力：「感覺像是：『好，我們知道罪魁禍首了，來解決它吧！』」

人工合成病毒躍升潛力疫苗

新冠病毒一如其他冠狀病毒，長得像是表面插滿棘狀蛋白的球。每根棘的末端都是一群胺基酸，此部位是蛋白質的受體結合區（receptor-binding domain, RBD），具備的形狀和電荷都能夠與人類細胞表面某一種蛋白質完美契合。冠狀病毒就如同太空船，精準與受體對接，接著進入細胞中複製。

RBD扮演著如此危險的角色，成為免疫系統中抗體的頭號目標。抗體也是一種蛋白質，體內細胞製造抗體，與RBD結合，讓RBD失去功能。但是那些特殊的細胞需要花點時間才能夠製造出足夠的有效抗體，在此之前，病毒往往已經造成相當大的破壞。

包括信使RNA（mRNA）疫苗在內的第一代新冠肺炎疫苗保護了許多生命，它們能讓人體只出現病毒的棘蛋白而不是完整的病毒，人體的免疫系統能夠辨認出RBD，然後集結攻擊病毒棘蛋白部隊。但是RBD有時藏在棘蛋白的其他部位中，抗體表面本該與RBD結合的部位就找不到它，無法引起免疫反應。除此之外，自由流動的棘蛋白和天然病毒不同，除非接種高劑量的疫苗，否則不一定會引發強烈的免疫反應。但是增加劑量會使得疫苗成本增加，副作用也跟著增強。

目前的新冠肺炎疫苗雖然成功，但許多專家認為，接種天然蛋白質只是過渡時期的權宜之計。英國製藥巨擘葛蘭素史克（GlaxoSmithKline）的首席科學家兼疫苗發展主任拉普歐里（Rino Rappuoli）說：「顯然光是接種天然或減毒蛋白質是不夠的。」絕大部份的現行疫苗，不論是兒童常接種的，或是成年人接種的流感疫苗，主要成份都是天然蛋白質，疫苗學家稱之為「免疫抗原」（immunogen）。葛蘭素史克開發了很多這類疫苗，拉普歐里說：「我們需要設計出比天然分子效果更強的免疫抗原。」……

不應該只有一個答案
撰文/林一平

當我被邀請擔任《科學人》雜誌總編輯時，受寵若驚。我覺得我稱不上「科學人」，頂多是一位「工程人」。和《科學人》的淵源是我曾經為雜誌寫過一、兩篇文章，然而我是《科學人》雜誌的愛閱者。德國詩人海涅曾寫道：
So we keep asking, over and over 
Until a handful of earth 
Stops our mouths — 
But is that an answer ?

我們不應該認為只有一個回答。每當我翻閱《科學人》時，總能期待到第二個答案。我也希望大家都來閱讀《科學人》雜誌，一同探索不同的答案。

本期雜誌中，有多篇主題是大眾極為關切的新冠病毒，我讀起來特別有感。

疫情嚴峻，疫苗的取得、施打，該不該打？打哪一種？是這幾個星期我們熱烈討論的話題。一般以為，mRNA疫苗在原理上算是最新穎了！本期的封面故事〈 AI設計精準抗疫蛋白〉搶先揭露：科學家已利用人工智慧（ AI）詳細解析新冠病毒棘蛋白的弱點，再透過人工合成，生產出精心設計的蛋白質，可誘發更強大的免疫保護力。AI與合成蛋白質聯手，正在翻轉生物工程學界。

新冠病毒不斷突變，造成大眾恐慌。本期我們邀請馬偕兒童醫院的黃瑽寧醫師專文詳解：新冠病毒的突變速度其實比流感病毒慢，這些突變多半有利於對宿主的適應性，不是為了殺死人類。未來，人類是否能藉由自然感染，得到最新版的「新冠病毒突變疫苗的補充劑」？〈新冠病毒突變逃脫秀〉給予我無限的想像。

珊瑚保育刻不容緩，誰能想到：可以用益生菌扭轉珊瑚白化？過去研究認定海豚跳躍喜歡右旋，然而其中藏有人類感知上的盲點，從電磁學「右手定則」得到啟發，整套研究需要新的編碼系統。讀者朋友，若您在本期文章中看到任何不同的答案，歡迎與我們分享。

最後，我要私心推薦〈數學家的黑板〉這篇文章。這項黑板攝影計畫，生動記錄了多位數學家思考數學的過程。方程式、拓樸、幾何、其他數學理論，隨著數學家的個性化成了風格各異的藝術品。黑板的特性是短暫地儲存訊息，而這黑板攝影，成功把數學家瞬間的智慧火花，凍結於本期《科學人》雜誌中。

No.234 2021年8月號

關於封面 新世代新冠肺炎疫苗不同以往，是科學家先用電腦設計微小的人造蛋白，連結到奈米顆粒上（樣貌如同封面上的立體模型），再由這些蛋白質組合而成。立體模型上的紅色「人造蛋白」，其實就是新冠病毒的弱點：受體結合區（RBD），更容易刺激人體產生抗體。

醫學
30 AI設計精準抗疫蛋白
文／賈可布森（Rowan Jacobsen）
天然蛋白質包辦了人體中的各種功能。現在科學家運用人工智慧技術設計合成蛋白質，打造新的冠狀病毒疫苗，在生物工程學界掀起革命。

40 新冠病毒突變逃脫秀
文／黃瑽寧
英國變種病毒、印度變種病毒、南非變種病毒、巴西變種病毒接連引發新一波大流行，但這些變異株真的產生強大的傳染力與致病力嗎？

行星科學
46 小行星防衛網該升級了！
文／史柯爾斯（Sarah Scoles）
地球上有多座用於監測小行星的望遠鏡，其中最重要的一座在去年底損壞，我們有其他防禦對策嗎？

保育
56 益生菌救珊瑚
文／史沃波達(Elizabeth Svoboda)
全球暖化導致珊瑚大量白化，殃及海洋生態系，生物學家今年要在紅海實地試驗尚有爭議的「益生菌雞尾酒」療法，期望能拯救珊瑚。

健康
66 人類新危機：超級真菌
文／麥肯納（Maryn McKenna）
真菌每年造成全球160萬人死亡，成為地球上最致命的微生物之一，但我們缺乏有效方法來防範它。

生物學
78 海豚是右撇子？
文／賈柯拉（Kelly Jaakkola）
過往進行海豚旋轉偏好的研究時，認為海豚傾向朝右旋轉。科學家為了釐清何謂「右撇子」，意外發現人類感知的盲點。

數學
82 數學家的黑板
文／莫斯柯維茨（Clara Moskowitz）
一項攝影計畫記錄了多位數學家在黑板上做數學的過程，並展現拓樸、幾何與其他數學理論的迷人之處。

【換頁】
科學人觀點
6 時間的女兒：是科學邊緣人或先行者？ 文／曾志朗

總編輯的話 8 不應該只有一個答案 文／林一平

讀者論壇 10

科學人新聞 12
DDT遺毒三代｜AI產生仿真假文件｜一覽世界科技進展｜科學剪影｜變形蟲啟發肺病療法｜實驗室培養珊瑚細胞｜獨角鯨環境史｜平面國的電子｜刷新月球年齡｜病毒大流行風險指標｜在南極算微隕石

形上集
25 數學把海森堡與薛丁格兜在一起 文／高涌泉

教科書之外
26 消失的矮精靈 文、圖／陳文盛

網上世代
28 全球疫情的回憶 文／網上世代

專家看新聞
92 健檢項目納入槍枝安全 文／賽西亞（Chethan Sathya）、卡普爾（Sandeep Kapoor）

科學佐以詩文
93 從西非肺魚學了一課 文／歐爾森（Christina Olson）

健康與科學
94 癌症血液檢查的聖杯 文╱華立斯（Claudia Wallis）

科學焦點
95 科學一定「正確」嗎？ 文／歐瑞斯克斯（Naomi Oreskes）

預見新科學
96 科學家們不為人知的信念與初衷 文／林慧珍

生物手記
98 布氏樹蛙遇見斑腿樹蛙 文／楊懿如

科學人書摘
102 抽樣調查的缺漏 文／摘自《暗數據》

圖表會說話
106 數學名望有脈絡 文／莫斯柯維茨（Clara Moskowitz）、圖表／吳雪莉（Shirley Wu）

本期專欄「談心說理」暫停一次

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《科學人》雜誌即將於2017年2月滿15週年！15年來，在「廣」的方面，《科學人》月月帶給台灣讀者科學新知、科學新聞、重要科學研究；而在「精」的方面，《科學人》推出15週年特別獻禮：「博學誌」系列文集，滿足您在單一領域更深入、更全方位的知識渴望。

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掌握數位生活（2016/12/20全新出版） 台灣大學資工系教授 林守德專文導讀 活靈活現動物行為（2017/1/20全新出版）金鼎獎科普作家 張東君 專文導讀