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夸克是構成物質的基本單位,那麼強子呢?它們的關係是什麼?——《科幻小說不是亂掰的:白日夢世界中的真實科學》下

時報出版_96
・2019/06/11 ・2659字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 579 ・九年級

反物質是怎麼一回事?

反物質是一種物質,只是不同的物質而已。

它之所以不同是因為它是由奇特的粒子所組成,這種粒子有著和一般物質相反的電荷。換句話說,在反物質裡的原子有帶正電的電子,稱為陽電子或正電子,盤旋在一個由帶負電的質子,又稱為反質子,所組成的原子核上方的活躍雲團。當一個粒子接觸自己的反相同那面時,它們會互相殲滅對方。那股能量必須要有出處,在科幻小說裡,這股能量能當作機器或武器的能量使用。

光劍!圖/pixabay

理論上來說,在我們的宇宙裡的每一個物質,應該要有一樣數量的反物質。並且它們應該已經將對方清除,但並沒有,所以我們才會在這兒。因為某些原因,在我們的宇宙的附近,物質在原始年代(primordial era〉會逐漸將反物質排擠出去。這在宇宙的其他地區並不必然是真的。在那兒的某處有可能是反物質銀河,這可以是科幻小說作家考慮用的素材。如果來一個一艘太空船正穿過一道只能用看的卻無法接觸的反物質銀河這樣的題材,如何?

諾貝爾獎得主的物理學家保羅.狄拉克(Paul Dirac〉於一九二八年導出一個發現反物質的方程式。這並非他的本意,完全是個偶然事件,這也是許多新發現的動機。一切都是從他有一個非常詭異的想法開始的,那就是自然法則應該適用於一切所有的事物。自己去想想吧! 在那個時候量子力學是以薛丁格的破壞相對論做出公式化的表達,而相對論完全忽視量子力學。

狄拉克的公式成功地將這兩者一致化,當他呈現一個電子以接近光速的速度行進時會產生什麼。好笑的是這個公式也有一個一致的解決方式,就是陽電子。卡爾.戴維.安德森(Carl D. Anderson〉於一九三二年發現陽電子,也就是反物質的第一個直接證據。

正子電腦斷層掃描。圖/pixabay

他因為這項發現於一九三六年獲頒諾貝爾獎。現在陽電子已經使用於正子電腦斷層掃描上。

好吧! 來點比較平易近人的話題吧! 雖然現在還處於針對癌症治療的概念階段,使用反物質而非放射療法(對腫瘤放射 X 光或質子〉可能對病人來說會安全的多。反質子可以使用於殲滅腫瘤原子的核心裡的質子。加上釋放出的能量可以對腫瘤細胞做出更大的破壞。

所謂

質子和中子都是由夸克所組成的。夸克的形式物理學家稱做「有不同的口味」:上夸克、下夸克、迷人的夸克、奇怪的夸克、頂尖的夸克、墊底的夸克。

為了讓這篇文章(幾乎是啦!〉保持簡單,我會將討論範圍縮小至上夸克與下夸克,因為它們是最穩定的。你要做好心理準備,因為我在這裡會變得比較數學性喔! 但都只是些加法演算而已啦!

來複習一下,一個質子帶有一正電荷,一個電子帶有一負電荷,與一個不帶電的中子。現在奇怪的來了:上夸克帶有三分之二正電荷及下夸克帶有三分之一負電荷。是的,這些都是部分少量的。我知道,這很誇張! 對非物理學家的人來說,這根本不用擔心,因為歸因於強核子力,它們在大自然裡絕對不會被單獨發現。

夸克是如何在一個原子的核心裡為粒子充電:

一個質子是由兩個上夸克及一個下夸克所組成。

現在用數學來表現:

+ 2/3(上夸克〉+ 2/3(上夸克〉- 1/3(下夸克〉= 1,一個正電荷。

一個中子是由一個上夸克及兩個下夸克所組成。

+ 2/3(上夸克〉- 1/3(下夸克〉- 1/3(下夸克〉= 0,一個電中性。

為了讓這點更複雜,沒有兩個夸克的結合可以讓你得到負一、零或一。好吧! 是幾乎沒有任何結合。要讓一個兩個夸克的結合可以成立,你需要所謂的反夸克(帶有負三分之二與正三分之一電荷〉。

在接下來的這兩個段落是針對完整性,所以下次某人試著要用核子物理學來讓你對他有好感時,你可以點頭示意表示了解。

強子和克的關係

任何由強核力結合而成的事物稱為強子。任何由三個夸克組成的強子稱為重子(像是質子和中子〉。從另一角度來看,介子是由兩個夸克所組成的強子。

電子是基本的粒子,意味著它們無法再做分割。它們來自和夸克無關的另一個稱為輕子的家族。不像強子,輕子不會和強核力互動。它們的選擇仲裁者是電磁力。電子是最輕的帶電輕子。這對我們的存在是非常棒的,因為只有最輕的帶電輕子是最穩定的。因為這種穩定性才會產生化學。

化學萬歲!大家來中場休息,吸個貓~圖/pixabay

來個小結論吧!

四種宇宙原力的影響範圍

在影響的範圍與強度來說,這四種力量有很大的分別。其中最強的力量(真是驚喜!〉是強核力。提供一個參考方式,想像強核力的強度是被定義為相等的一種力量。第二強的力量是電磁力,但只有強核力的一百三十七分之一的強度。接著是弱核力,令人震驚的是它只有強核力的 0.0000001 強度。最後來到這四個裡面最弱的力量,就是重力,它只有強核力的 0.00000000000000000000000000000000000001 的強度。

是的,重力是相對地微不足道。我們的整個星球都在把你往下拉,但只要一個廚房用吸鐵貼就能夠讓一個迴紋針從地面上彈跳起來。而且你一定有注意到一丁點的靜電是如何讓一張紙可以貼在你的手上並壓倒性地征服整個星球的重力作用。

重力與電磁力兩者皆有一種無限範圍的影響力,而強核力與弱核力的範圍則較小。強核力的影響力不超過一個原子核的寬度(0.000000000000001 公尺,或一費米〉。弱核力則侷限於一個質子直徑的一個百分比的十分之一。

核融合 vs. 核分裂

核分裂是當重的原子核以分裂的方式釋放能量。核融合是從結合原子核及提升元素週期表到較重的原子。舉例來說,在早期的宇宙,氫原子融合以形成氦原子。當兩個原子融合時,新原子的大部分會比兩個原來的原子總和來的少。消失的大部分透過 E=mc2 公式變成能量。

E=mc2。圖/pixabay

身為一種力量來源,核融合的優點是沒有像核分裂一樣會有長久的放射性的廢料產生。

——本文摘自《科幻小說不是亂掰的》,2019 年 3 月,時報出版


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出版品包括文學、人文社科、商業、生活、科普、漫畫、趨勢、心理勵志等,活躍於書市中,累積出版品五千多種,獲得國內外專家讀者、各種獎項的肯定,打造出無數的暢銷傳奇及和重量級作者,在台灣引爆一波波的閱讀議題及風潮。


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為何新冠病毒突變之後傳染力更強?——關鍵在於變異株的棘蛋白結構

研之有物│中央研究院_96
・2022/01/25 ・5088字 ・閱讀時間約 10 分鐘

本文轉載自中央研究院研之有物,泛科學為宣傳推廣執行單位。

  • 採訪撰文/寒波
  • 美術設計/林洵安

為何新冠病毒突變之後傳染力更強?

COVID-19 至今仍深深影響全人類,新冠病毒持續演化,例如曾經造成臺灣大規模社區感染的 Alpha 變異株、傳染力更強的 Delta 變異株,近期出現的 Omicron 變異株等,它們逃避免疫系統的能力都不一樣,關鍵就在不同的棘蛋白(spike protein)結構。「研之有物」專訪中央研究院生物化學研究所徐尚德副研究員,他的團隊陸續解析各種新冠病毒變異株的棘蛋白結構,不但能釐清新的突變帶來的威脅,後續也可作為研發人造抗體的指引。

徐尚德手上拿著新冠病毒的棘蛋白模型,顯示棘蛋白與兩種不同抗體結合的情況。圖/研之有物

解析新型冠狀病毒棘蛋白

COVID-19 的病原體是一種冠狀病毒,和 SARS 病毒是近親,正式命名為 SARS-CoV-2,中文常稱作新型冠狀病毒。為了知道病毒如何感染人體細胞,以及如何逃避免疫系統的辨識,我們需要進一步瞭解冠狀病毒表面的棘蛋白結構。

結構為什麼重要?因為結構會影響蛋白質功能。蛋白質是由不同的氨基酸所組成的長鏈,實際作用時會摺疊形成特別立體結構,而冠狀病毒的蛋白質中,又以棘蛋白最為關鍵。

徐尚德強調,棘蛋白是冠狀病毒暴露在表面的蛋白質之一,絕大多數被感染者的免疫系統所產生的抗體都是辨識棘蛋白。因此現今臨床使用的蛋白質次單元疫苗、腺病毒疫苗以及 mRNA 疫苗,都是以棘蛋白為基礎來研發。

Cryo-EM 讓蛋白質結構無所遁形

工欲善其事,必先利其器。解析蛋白質結構的方法很多,早期的 X 光晶體繞射(X-ray diffraction),就像將影片定格截圖,但不一定為蛋白質實際作用的狀態。

再來是核磁共振(Nuclear Magnetic Resonanc,簡稱 NMR),這是徐尚德留學深造時的專業,可以重現蛋白質在水溶液中的結構及動態,更接近實際作用的形態,可惜不適合分子量較大的分子。

目前結構生物學最具潛力的新技術是:冷凍電子顯微鏡(Cryogenic Electron Microscopy,簡稱 Cryo-EM),Cryo-EM 可以拍出原子尺度下高解析度的三維結構,此技術於 2017 年獲得諾貝爾化學獎。中研院則於 2018 年開始添購 Cryo-EM 設備,而 Cryo-EM 正是徐尚德用來解析棘蛋白結構的主要利器!

在 COVID-19 疫情爆發初期(2020 年 1 月),徐尚德就率先啟動新冠病毒的結構分析,當時他的研究團隊剛好已分析過感染貓科動物的冠狀病毒,對於解析棘蛋白結構有一定經驗,可說是贏得先機。

具體來說,如何用 Cryo-EM 解析新冠病毒的棘蛋白結構?

首先要大量培養新冠病毒、再分離、純化得到棘蛋白。接下來,將大量蛋白質樣本鋪成薄薄一層液體,之後以 -190℃ 急速冷凍,讓蛋白質分子保持凍結前的形態,最後用程式重建棘蛋白的三維影像。徐尚德譬喻,就像一匹馬在高速移動時,連續拍攝許多照片,再將照片疊加起來,重建馬的形狀。

棘蛋白的體積已經算大,假如又與其他蛋白質結合,體積將會更大。能解析如此龐大結構為 Cryo-EM 一大優點,但是也會創造很大的資料量。徐尚德強調,用 Cryo-EM 分析蛋白質結構不只做實驗,也要協調資料處理等疑難雜症。

冷凍電子顯微鏡可以紀錄同一時間下、不同狀態的蛋白質三維立體結構。圖/研之有物

關鍵 D614G 突變,讓新冠病毒棘蛋白穩定性大增

儘管已有貓冠狀病毒的經驗,徐尚德研究團隊初期仍經歷一陣摸索,一大困難在於,做實驗時發現不少棘蛋白壞掉,不再保持原本的結構。

這是因為一般取得蛋白質樣本後會置於 4°C 冷藏,但 4°C 其實不適合保存棘蛋白。接著徐尚德細心觀察到,具備 D614G 突變的棘蛋白,保存期限竟然比沒突變的棘蛋白要長,可以從 1 天增加到至少 1 週。

什麼是 D614G 突變呢?武漢爆發 COVID-19 疫情的初版新冠病毒,其棘蛋白全長超過 1200 個胺基酸,D614G 突變的意思就是:第 614 號氨基酸由天門冬胺酸(aspartic acid,縮寫為 D)變成甘胺酸(glycine,縮寫為 G)。

D614G 突變誕生後,存在感持續上升,2020 年 6 月時已經成為全世界的主流,隨後新冠病毒 Alpha、Delta 等變異株,皆建立於 D614G 的基礎上。

儘管序列僅有微小差異,許多證據指出 D614G 突變會增加新冠病毒的傳染力。有趣的是,它也能大幅增加棘蛋白在體外的穩定性。因此在研究用途上,變種病毒的棘蛋白反而容易保存,徐尚德更指出,對抗變種病毒的蛋白質次單元疫苗(subunit vaccine)穩定性也會增加。

圖片為徐尚德實驗室提供的新冠病毒模型與三種不同的棘蛋白模型,棘蛋白的主體為白色,棘蛋白的受器結合區域(receptor binding domain,RBD)為藍綠色。圖/研之有物

新冠病毒棘蛋白的「三隻爪子」:受器結合區域

徐尚德參與的一系列新冠病毒結構研究,除了棘蛋白本身,還包含棘蛋白與細胞受器 ACE2 的結合、棘蛋白和人造抗體的結合。

既然要解析結構,儀器「解析度」能看清楚多小的尺度就很重要!蛋白質結構學的常見單位是 Å(10-10 公尺),原子與原子間的距離約為 2 Å,Cryo-EM 的極限將近 1 Å,不過棘蛋白大約到 3 Å 便足以重建立體結構。

冠狀病毒如何感染宿主細胞,和結構又有什麼關係?棘蛋白位於冠狀病毒的表面,直接接觸宿主細胞受器 ACE2 的部分,稱為受器結合區域(receptor binding domain,簡稱 RBD),結構可能展現「向上」(RBD-up)或是「向下」(RBD-down)的狀態。向下,RBD 便不會接觸宿主細胞的受器,缺乏感染能力,;向上,RBD 方能結合受器,引發後續入侵。

徐尚德團隊透過冷凍電子顯微鏡,拍攝新冠病毒 Alpha 株的棘蛋白結構,其中有三類棘蛋白的 RBD 為 1 個向上(佔 73%),有一類(類別3)的棘蛋白 RBD 則是 2 個向上(佔 27%)。圖/Nature Structural & Molecular Biology

新冠病毒表面的棘蛋白有「三隻爪子」(3 RBD),RBD 有可能同時向上(3 RBD-up),也可能只有 1~2 個向上,結構會影響病毒的感染能力。更詳細地說,棘蛋白某些胺基酸位置的差異,會影響結構的開放與封閉程度。

棘蛋白向上或向下是動態的,假如能保持穩定性,延長向上的時間,也有助於新冠病毒的感染。這正是徐尚德一系列研究下來,實際觀察到不同品系的變化。

截至 2022 年 01 月 18 日的新冠病毒品系發展歷史,其中 Delta 變異株擁有最多品系,而 Omicron 變異株則開始興起。雖然 Omicron 的品系並不多,但已逐漸成為主流。圖/Nextstrain; GISAID

一網打盡所有高關注變異株的結構變化

和武漢最初的新冠病毒相比,D614G 突變帶來什麼改變呢?簡單說:棘蛋白向上的比例增加了,導致整個結構變得更加開放,增加新冠病毒對宿主受器的親合力(affinity)。

以 D614G 為基礎,接下來又獨立衍生出數款品系,皆具備多個突變,傳染力、抵抗力更強 。影響最大的是首先於英國現身的 Alpha(B.1.1.7)、南非的 Beta(B.1.351)、巴西的 Gamma(P.1),以及更晚幾個月後,於印度誕生的 Kappa(B.167.1)與 Delta(B.167.2)。Alpha 一度於世界廣傳,導致包括臺灣在內的嚴重疫情,不過隨後不敵優勢更大的 Delta。

對於上述品系,徐尚德率隊一網打盡。 Alpha 的棘蛋白結構解析已經發表於 《自然-結構與分子生物學》(Nature Structural & Molecular Biology)期刊,其餘新冠病毒變異株的論文仍在等待審查,目前能在預印網站 bioRxiv 看到,該研究一次報告 38 個 Cryo-EM 結構,刷新紀錄。

圖 a 顯示新冠病毒 Alpha 變異株棘蛋白的突變氨基酸序列,一共有 9 處突變, D614G 突變以紫色表示。
圖 b 顯示突變的氨基酸在立體結構中的位置。
圖/Nature Structural & Molecular Biology

Alpha 變異株的 RBD 向上結構穩定

一度入侵台灣造成社區大規模感染的 Alpha 株有何優勢?其棘蛋白除了 D614G,還多出 8 處胺基酸突變,徐尚德發現 N501Y(天門冬酰胺變成酪胺酸)、A570D(丙胺酸變成天門冬胺酸)的影響相當關鍵。

直覺地想,棘蛋白的外層結構才會與受器接觸影響傳染力,立體結構中第 570 號胺基酸的位置比較裡面,乍看並不要緊。但是徐尚德敏銳地捕捉到,A570D 突變會改變局部的空間關係,令「RBD 向上」的結構更加穩定。徐尚德形容為「腳踏板」(pedal-bin)── A570D 突變的效果就像踩著垃圾桶的腳踏板,讓桶蓋(也就是 RBD)穩定保持開啟。

事實上,棘蛋白總體向上的比例,Alpha 還比單純的 D614G 突變株更少,不過 A570D 增進的穩定性似乎優勢更大。研究團隊製作缺乏 A570D 突變的人造模擬病毒,嘗試體外感染人類細胞,發現感染力明顯減少,證實 A570D 突變頗有貢獻。

新冠病毒 Alpha 株棘蛋白的「A570D 突變」,會改變棘蛋白內部的空間,讓「RBD 向上」的結構更加穩定,就像踩著垃圾桶的腳踏板,讓桶蓋保持開啟。圖/研之有物(資料來源/徐尚德、Nature Structural & Molecular Biology

Alpha 變異株的棘蛋白親近宿主細胞,干擾抗體作用

另一個重要突變是 N501Y,不只 Alpha 有,Beta 等許多品系也有,Delta 則無。N501Y 在眾多品系獨立誕生,似乎為趨同演化所致。N501Y 能為病毒帶來哪些優勢?

第 501 號胺基酸位於棘蛋白表面,會直接與宿主受器 ACE2 結合。此一位置變成酪胺酸(tyrosine,縮寫為 Y)後,和受器的 Y41 兩個酪胺酸之間,容易形成苯環和苯環的「π–π stacking」鍵結,從而大幅提升棘蛋白對細胞的親合力。

新冠病毒 Alpha 株棘蛋白的「N501Y 突變」,讓 RBD 的胺基酸與宿主細胞受器 ACE2 形成「π–π stacking」鍵結,大幅提升棘蛋白對宿主細胞的親合力。圖/Nature Structural & Molecular Biology

另一方面,N501Y 突變也會干擾抗體的作用。中研院細胞與個體生物學研究所的吳漢忠特聘研究員,率隊研發一批針對棘蛋白的人造抗體,測試發現有一款抗體 chAb25 對 D614G 突變株相當有效,但是對 Alpha 株無能為力。徐尚德由結構分析發現:N501Y 改變了棘蛋白表面的形狀,讓抗體 chAb25 無法附著。

好消息是,另外有兩款抗體 chAb15、chAb45,依然能有效對抗 Alpha 病毒,不受 N501Y 影響。這兩款抗體會附著在棘蛋白 RBD 的邊緣,避免棘蛋白和宿主細胞接觸。而且抗體 chAb15、chAb45 會各占一方,可以同時使用,多面協同打擊病毒。

雖然新冠病毒 Alpha 株的棘蛋白表面讓某些抗體難以附著,還好仍有兩款抗體 chAb15(綠色)、chAb45(黃色)能有效「卡住」棘蛋白,干擾棘蛋白與宿主細胞結合。抗體 chAb15、chAb45 附著的位置,正好就是棘蛋白與宿主細胞結合的地方。圖/Nature Structural & Molecular Biology

棘蛋白結構不只胺基酸,還要注意表面的醣

有了 Alpha 的經驗,接下來分析 Beta、Gamma、Kappa、Delta 便順手很多。這批新冠病毒的棘蛋白變化多端,但是「RBD 向上」的整體比例皆超過 Alpha 和 D614G 突變株,可見適應上各有巧妙。徐尚德也發現,要釐清棘蛋白的結構,不能只關心蛋白質,還要考慮棘蛋白表面的醣基化(glycosylation)修飾。

蛋白質在完工後,某些胺基酸還能加上各種醣基。病毒蛋白質表面的醣基可以作為防護罩,干擾抗體和免疫系統的辨識。醣基化修飾就像替病毒訂作一套迷彩外衣,不同變異株的情況都不一樣,假如醣基化的位置和數量,由於突變而改變,便有可能影響立體結構,有助於它們閃躲抗體。例如和武漢原版新冠病毒相比,Delta 株棘蛋白少了一個醣化修飾,Gamma 株棘蛋白則多了兩處醣化。

還好從結構看來,並沒有任何突變組合能完美逃避抗體。例如由美國的雷傑納榮製藥公司(Regeneron)製作並通過緊急使用授權的抗體;以及中研院吳漢忠率隊研發,有望投入實用的多款人造抗體,對變異品系依然有效。這場人類與病毒的長期抗戰中,同時使用多款抗體的「雞尾酒」療法,仍然是可行的醫療方案。

回顧將近兩年來的研究之路,徐尚德表示:時間壓力真的非常大!COVID-19 疫情爆發後,全世界投入相關研究的專家眾多,只要稍有遲疑,便會落在競爭者後頭。但是即使跑在最前端的研究者,也只能苦苦追趕病毒演化的速度,一篇論文還在審查時,現實世界的疫情已經邁向全新局面。

人類要贏得勝利,必需全方面認識病毒,而結構無疑是相當重要的一環。


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研之有物│中央研究院_96
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