1

6
1

文字

分享

1
6
1

臺灣宇宙夢! 「太空科技長程發展計畫」30 周年

喀報CastNet_96
・2021/06/06 ・3125字 ・閱讀時間約 6 分鐘

科技部的「太空科技長程發展計畫」從 1991 年起以衛星為發展主軸,陸續進行了第一期、第二期的基礎性研究,以及福爾摩沙衛星一、二、三、五、七號計畫,直至 2019 年進入計畫第三期。總投入高達 251 億元,希望培育太空科技人才,建立自製衛星的實力,並且結合既有半導體、資通訊科技和精密機械等優勢產業,在後疫情時代建立台灣衛星產業供應鍊,進軍全球太空產業。

然而,在如此保守穩健的執行過程中,不只多數台灣民眾對太空發展仍不甚了解,許多懷抱熱忱的教授和學生們缺乏足夠資金、開放資訊和完備教育資源,連民間廠商晉陞太空科技公司自行研發製作的火箭「飛鼠一號」,也因沒有合適的法規依據與發射地點而引發「魚塭變火箭基地」的違法用地糾紛,發射最終黯然落幕。

本文以質化問卷調查形式,收集20 位來自陽明交大、成大、中央等機械與航太相關科系學生、研究生對台灣在此領域的現狀和前景的看法。面對各國日漸純熟的航太技術,以及 Space X、 Amazon 、和 Kymeta 等國際大廠紛紛搶進太空商機之下,第三期太空科技長程發展計畫的推動和現行教育,真的能幫助他們學以致用並實踐太空夢嗎?

同時也分別採訪政府端的福衛三號計畫主持人和研究員,以及結合學術端和產業端的國立陽明交通大學 ARRC 前瞻火箭研究中心(以下簡稱 ARRC )主任,期望透過此文為大眾塑造更完整的台灣太空科技近程,也點燃台灣每個人心中對未知探索的勇氣和一起離開地球表面的信心。

衛星和火箭為太空發展的兩大重要關鍵支柱,在政府「太空科技長程發展計畫」第一、二期的努力下,台灣已有衛星研製能力,可惜皆委外發射,須看外國臉色。
衛星和火箭為太空發展的兩大重要關鍵支柱,在政府「太空科技長程發展計畫」第一、二期的努力下,台灣已有衛星研製能力,可惜皆委外發射,須看外國臉色。圖/傅思瑜攝

政府積極帶頭,台灣前進太空

從調查問卷中可見 20 位學生對台灣發展航太產業的信心指數和前景看好度平均分為 5.5 分(滿分為 10 分 ),原因主要為:缺乏資金、社會氛圍不積極、政策步伐緩慢導致延宕的太空法規制定與發射場的土地問題。另外,成大航太系劉祐昇同學表示系上實際學程多以航空為主,太空方面的知識和師資相對不足,若對太空領域有興趣,需要接觸成大的太空學程,或到成大電機、物理、地科……等科系去學習相關課程。

去年五月新科技部長吳政忠上任後,積極推動立法並解決火箭試射場地問題,為這項產業打造友善的發展環境。初擬「科技部短期科研探空火箭發射場域作業指引」,確定由科技部擔任科研火箭的主管機關,並計畫屏東旭海為發射場。而「太空發展法」草案也已通過行政院審核階段,規劃提高科技部下國家實驗研究院太空中心的層級,將其獨立成為具備行政法人性質的「國家太空中心」,以協助推動國家發展航太產業必要。

頑固的太空夢不止

然而,在如此保守穩健的執行過程中,不只多數台灣民眾對太空發展仍不甚了解,許多懷抱熱忱的教授和學生們缺乏足夠資金、開放資訊和完備教育資源,連民間廠商晉陞太空科技公司自行研發製作的火箭「飛鼠一號」,也因沒有合適的法規依據與發射地點而引發「魚塭變火箭基地」的違法用地糾紛,發射最終黯然落幕。

為什麽自 2012 年起,吳宗信要四處演講倡議台灣發展火箭產業,並自行發射能夠載物的火箭? ARRC 主任──或大家更熟悉的五月天 MV <頑固>中的火箭阿伯吳宗信解釋:「要發射火箭,必須整合數學、機械、電機、資工、物理、化工、材料、航太···等技術,每一個產業都要拿出最頂尖的技術和人才。」吳宗信認為「太空」已從過去的戰略科技蛻變至今有高附加價值的「太空經濟」。火箭能成為一個火車頭,帶領台灣產業前進。如果台灣有能力自製火箭並將載物火箭射向天空,不僅證明台灣尖端科技的研發與系統整合的能力,也有機會讓所有產業升級!並指出陽明交大具有充沛的各領域教師和人才,但可惜散在不同學院和學系,因此倡導陽明交大未來能成立「航太系統工程研究所」( Institute of Aerospace System Engineering, IASE )整合無人機、衛星、火箭系統研發資源以培育跨領域人才,幫助台灣此產業推動。

火箭,不只是場煙火秀;太空,不只是場白日夢。六十年前始於美蘇的科技競賽,除了國家軍事的較勁,也推動了我們的科技發展並改善日常生活。至今,許多太空的知識已廣泛運用於我們日常中:透過衛星所獲得通訊資料、影像、數據提高氣象預報準度並有助防颱準備,運動鞋、消防設備、尿布,甚至是電腦、 GPS ,都是發展太空科技下的產物。因此,發展太空科技之必要,不僅在其有助於加強一個國家的自信心與認知度,更在於其整合各領域專業並帶動國家產業升級,回應社會需求並提升人民生活品質之效益。

問及探索太空、投入火箭的意義,吳教授說:「因為心中有台灣」,同時分享其JAP( Justice / Justification, Action, Plan with Preserverance)人格特質與理念,認為自己義比玉山,鼓勵學子對於「對的事」就去做,有計劃地採取行動並堅持目標。(圖片來源/傅思瑜攝)
問及探索太空、投入火箭的意義,吳教授說:「因為心中有台灣」,同時分享其JAP( Justice / Justification, Action, Plan with Perserverance )人格特質與理念,認為自己義比玉山,鼓勵學子對於「對的事」就去做,有計劃地採取行動並堅持目標。圖/傅思瑜攝

台灣,機會無限

儘管放眼追逐太空科技之際,台灣有許多不足,國家太空中心福三計畫主持人方振洲博士和林信嘉博士仍持樂觀態度與高度信心。他們指出台灣和中美等大國比較投資經費雖然落差巨大,資源相對稀少,但台灣在人才和技術上具優勢,熟稔的「備份」和「篩選」技術實現商業規格零件取代高昂的太空規格零件的可行性,也讓世界航太產業龍頭伊隆・馬斯克傾心並大量採用台灣商規零件「經濟上太空」。

就像電腦的發展,從教室大小進階到筆電,再到手機與智慧眼鏡的輕薄短小演進過程,衛星的演進也是如此。台灣善於「玩小」,建議台灣結合電子零組件與精密機械等兩大強項發展自己的特色,不比拚大衛星而比拚微型衛星,其中立方衛星就是台灣值得發展之處。

方博士認為各界應該秉持「開源」的正向發展模式,即技術公開分享、資訊共享,呼籲台灣人才不要只進台積電、做半導體,要做太空!(圖片來源/林泓君攝)
方博士認為各界應該秉持「開源」的正向發展模式,即技術公開分享、資訊共享,呼籲台灣人才不要只進台積電、做半導體,要做太空!圖/林泓君攝

飛向宇宙,浩瀚無垠

「心情一片平靜,覺得自己彷彿變成更好的人。」這是許多太空人回到地球之後的相同感受,心理學家把這種因為太空旅行在視覺和認知上對世界感到敬畏、驚奇,見證到世界的美,並想要保護地球及其生態和所有人類的認知轉變稱做「綜觀效應」。

相信台灣能在實踐太空夢的路上愈變愈好,因為或許,我們與生俱來地將太空當成一個目標追尋的堅持,不只是為了展現國力或提升生活品質,還為了馳騁好奇、揮灑熱忱,一起離開地球表面,透過幾光年外的另一個角度引領我們對熟悉家園的更多思考,思考這份由浩瀚太空揭櫫的感動的同時,我們的承諾──好好永續這份美的義務和責任。

重量約為1至10公斤的立方衛星與動輒1,000公斤以上的大衛星相比體積小、重量輕,更重要的是設計和製造的成本都低。(圖片來源/傅思瑜攝)
重量約為 1 至 10 公斤的立方衛星與動輒 1,000 公斤以上的大衛星相比體積小、重量輕,更重要的是設計和製造的成本都低。圖/傅思瑜攝

數感宇宙探索課程,現正募資中!

文章難易度
所有討論 1
喀報CastNet_96
5 篇文章 ・ 5 位粉絲
國立陽明交通大學傳播與科技學系大三學生自媒體,文章撰寫類目含括科技新知、藝文評論、人物特寫、社會議題和專題新聞,以大學生的觀點出發撰寫與自身和社會相關的文章,內容豐富。 喀報CastNet網站:https://castnet.nctu.edu.tw/


2

2
4

文字

分享

2
2
4

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。


數感宇宙探索課程,現正募資中!

文章難易度
所有討論 2
研之有物│中央研究院_96
20 篇文章 ・ 8 位粉絲
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」。探索具體研究案例、直擊研究員生活,成為串聯您與中研院的橋梁,通往博大精深的知識世界。 網頁:研之有物 臉書:研之有物@Facebook