• 作者 / 張之傑

六月一日，吃過午餐到八樓散步，在星光廳外看到一隻小鳥，應該是停靠聖米格爾島時從八樓或九樓舷門飛進來的。我想把牠抓住，牠有氣無力地飛進星光廳的沙發椅底下躲起來。我們繞了一圈回到星光廳，看到一位日本婦人手捧著小鳥，另一人跟在後頭，連說tori（鳥）。日本婦人打開舷門，把小鳥放在甲板上放生。小鳥飛翔能力有限，沒能力飛回陸地。牠又是食蟲的（嘴巴是尖的），船上沒有蟲子吃，終究是死路一條。

此行在我們房間（7060室）發現過兩次蒼蠅，一次蚊子。我們上船時，已消過毒，蒼蠅、蚊子和那隻小鳥一樣，都是停靠港口時飛進來的。我們住的七樓沒有舷門，八樓和九樓有舷門，平時關得緊緊的。我們靠港時大多經由四樓舷門下船，而且在最後回船時刻之前，四樓舷門一直開著。蒼蠅、蚊子通常低飛，所以很可能是從四樓舷門飛進來的。至於那隻小鳥，可能隨著人們出入，從八樓或九樓舷門飛進船內。

如果以上推論正確，也就是蒼蠅和蚊子是從四樓舷門飛進船內的，那麼要飛進七樓的7060室仍得大費周章。可能經由樓梯間飛到七樓，也可能飛進電梯來到七樓。七樓有兩大排艙房，管家打掃房間時門開著，可能就那麼湊巧，當管家打掃7060室時趁機混了進來。當然啦，也可能是我們出入時跟著飛進來的。

從我們住的7060室就打死過兩隻蒼蠅、一隻蚊子來看，靠港時飛進來的蒼蠅、蚊子應該不少。船隻靠港時或運送貨物時，動物溜上船或被帶上船，這類事司空見慣。當年我帶學生到基隆八斗子採集，親眼看到老鼠沿著纜繩爬進漁船。

演化生物學有項基本理論——同源，意思是說，同一物種不可能有兩個起源地。舉例來說，人們咸信家貓（Felis catus）由野貓（F. silvestris）馴化而成，但野貓有若干亞種，近年經由基因分析，家貓的基因和中東亞種一致，意味著家貓起源於單一地區，即約一萬年前的肥沃月彎。

二○○四年，科學家在賽普魯斯發現一處約九五○○年前的墓葬，一旁有座小墳，其內有隻貓咪的骨骸。貓不是地中海地區原生動物，所以一定是隨著人類搭船來的，或許就是來自比鄰的地中海東岸地區。這一發現也和家貓源自中東一致。

如今常見的兩種蟑螂——美洲蟑螂（Periplaneta americana）和德國蟑螂（Blattella germanica），其實源自非洲，十六世紀隨著船隻進入美洲，現已分佈世界各地。之所以冠名美洲和德國，和冠名標本（模式標本）的採集地或來源有關。這和原產中國的山茶花（Camellia japonica）的情形類似，七世紀傳到日本，十七世紀從日本傳到歐洲，遂令歐洲人以為是日本原產的。

近年常有火蟻的新聞，最新一則為二○二○年三月十一日，台北市圓山兒童樂園舊址發生火蟻咬人事件。火蟻原產南美洲，一九三○年代侵入美國南方，其後隨著貨櫃四處傳播，二○○三年在桃園機場周邊出現，現已分佈至嘉義、新竹、新北市及台北市等地，被農委會列入十大外來入侵物種之一。火蟻咬人極其疼痛，少數人甚至有昏迷、暈眩現象。火蟻還會侵害土棲動物，危害嚴重地區常造成蚯蚓及本土螞蟻滅絕。

大虎頭蜂（Vespa mandarinia）侵入歐洲是另一個例子。大虎頭蜂分布東亞溫帶及亞熱帶地區，是世界上最大的胡蜂。二○○五年隨著從東亞進口的陶器中進入法國（大虎頭蜂喜歡在地下坑洞中築巢，生境和陶器相似，有些就在陶器內營巢），十年後已蔓延西歐各地，破壞了當地的生態平衡，對養蜂業危害尤甚。

大虎頭蜂以昆蟲為食，經常攻擊蜂巢，牠們對東方蜜蜂（Apis cerana）的危害不大，這是因為東方蜜蜂已演化出一種防衛機制，集合起來把入侵者裹成蜂球，使裹在其中的大虎頭蜂熱死。西方蜜蜂（A. mellifera）沒有這樣的防衛機制，一窩大虎頭蜂平均可以摧毀五個蜂巢！檢測各地大虎頭蜂的基因，其實是少數幾隻蜂后的後代。

蘋果蠹蛾（Cydia pomonella）也是個例子。媒體常有從美國進口的蘋果又檢出蘋果蠹蛾幼蟲，防檢疫局已全數銷毀，並暫緩核准進口云云。蘋果蠹蛾是世界上最嚴重的蛀果害蟲之一，一九九五年列為我國十六大害蟲名單。成蟲通常將卵產在果實表皮或果實附近葉片上，孵化的幼蟲尋找適當蛀入點侵入果實蛀食，造成落果，或果實品質低劣，無法食用。果園一旦遭到入侵，被害率可達百分之九十以上。所幸因防治得法，目前尚未造成危害。

船隻為了維持空載時的穩定度，常汲取海水注入船艙，稱為壓艙水。當壓艙水排放時，水中的生物就會移到另一個地區，影響當地的生態系統。舉例來說，我們吃的長牡蠣（Crassostrea gigas）原產西太平洋海域，但隨著壓艙水已分佈到南北美洲、歐洲、澳洲、紐西蘭及非洲。在丹麥，已排擠當地原產牡蠣，造成生態危機。

關於隨著交通工具傳播的物種，我個人有個經驗。約十年前，我從敦煌買回一些葡萄乾，回家後裝在玻璃罐裡。一天發現罐子裡有隻蛾，正在撲弄著翅膀，我把牠放了。隨即想到外來物種問題，如果再孵化出一隻，而且和前一隻是一公一母，豈不惹出禍事！我把買回的葡萄乾放在微波爐裡加熱，殺死可能藏在裡面的蛹，那放出去的一隻孤寡一人，已不足為害。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。