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我們的目標是地心世界!帶動極地探險的「地球空心說」是怎麼來的?

Rock Sun
・2021/06/01 ・5563字 ・閱讀時間約 11 分鐘

A 編按:最近的《哥吉拉大戰金剛》用了「地球空心說」,將地心作為泰坦巨獸的故鄉,可你知道嗎?「地球空心說」可是由著名天文學家艾德蒙.哈雷提出的!這個猜想不只有其道理,也帶動人類探索地心的秘密。

《一切都是泛科學的陰謀》專題與你一同挖掘各種陰謀論的脈絡!「地球空心說」並不是陰謀論,但其衍生出的各種說法,卻比陰謀論還要精采,而美國也真的派出過探險隊,試圖找到極地的地心入口。

有科學腦的人,應該很討厭陰謀論吧?有些有趣又無厘頭,有些很認真的讓你皺眉頭並且開始懷疑自己。你可能會問「這些想法為什麼會存在?」但是不管在哪個時代,陰謀論都會存在來挑戰充滿證據的事實,而我們能作的除了不斷的完整事實和理論的樣貌,還能從這些陰謀論反問自己「這背後有什麼道理嗎?」

地球內部的真實樣貌。圖/sciencephoto

如果把「地球空心說」放到現代,絕對會被大家嘲笑吧!但是在330年前,就連最偉大的天文學家也對此深信不疑。

過去,人類對於地球的內部構造並沒有定論,各種說法存在於神話、信仰之中。而第一位有憑有據猜測地球內部構造的人,是十七世紀末,大名鼎鼎的英國天文學家艾德蒙.哈雷,大膽提出了「地球其實是空心」的理論。

計算出哈雷衛星週期的天文學家-艾德蒙·哈雷。圖/Wikipedia

哈雷的浪漫猜測

哈雷發現地球的磁場其實並沒有想像中的「穩定」,在接近極區的地方,指南針並沒有辦法準確的指向,為了解釋這個現象,他大膽地假設地球的中心是中空的……更詳細一點的描述,其實地球內部是一個大空腔,裡面裝著有 3 個不互相接觸的同心球,由外到內大小分別參考金星、火星、水星,像俄羅斯娃娃一樣套在地球中,哈雷還參考土星環的原理,推斷這些球殼靠著離心力和重力懸空且不會相撞,而就是這些浮空的內部球殼造成地球磁場的變化。

哈雷的地球空心說概念圖 。圖/wikipedia

面對這多層的地球,只有最外層有住生物嗎?哈雷大膽地說:「這些內部球殼上還有生命存在,整個地球結構就像上帝創造的多層建築一樣,不同樓層有不一樣的生命。」(事實上怪物宇宙系列電影也是以此為設定,這些地方就是泰坦巨獸的家鄉)

為了完善「地球空心說」,哈雷又提出球殼內部含有「鹽水」,靠著類似玻璃的粒子阻擋來讓地面的海洋不流到底下,又在 1716 年提出影響現代地球空心說的假設,極光就是從兩極地區的大洞下噴出的發光蒸氣

神奇的地球空心說就此誕生,甚至連哈雷本人都有點難以置信,他在 1692 年的紀錄中寫到:「講出這麼誇張又浪漫的假設,讀者可能會立刻譴責,直到我找到足夠的證據支持這個假說。」

哈雷當時剛剛好和好朋友艾薩克·牛頓撰寫科學名著「自然哲學的數學原理」(Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica),和「自然哲學的數學原理」這本近代科學研究的基石寶典相比,哈雷在沒有足夠實驗方法下提出的地球空心說,某種程度上也算是近代科學史上第一個預測性質的假說,這稱不上是「陰謀論」,畢竟裡面沒有什麼違反當時認知事實的陰謀,只是一個科學家的大腦洞。

博物學家的瞎掰

但老實說,地球空心說並不是哈雷獨有的想法,例如同一時期在日耳曼地區,一位名叫阿塔納奇歐斯·基爾學(Athansius Kircher)的全才博物學家也出版過一本書叫作Mundus Subterraneus (姑且翻譯為: 世界之下),內容提到地球中間其實有個大窟窿,可能就像鐘乳石洞般,裡面除了地下湖泊外,還有岩漿和火焰,而北極有一個漩渦將海水吸入地球內部,加熱後從南極噴出。

阿塔納奇歐斯·基爾學在Mundus Subterraneus中繪出地球內部的樣子。圖/ARCHIVE.ORG

和哈雷相比,基爾學連支撐他故事的理論都沒有。儘管現在知道哈雷錯得離譜,但是當時的科學認知和技術已經知道轉動的金屬會產生的磁場,所以如果地球磁場會有不同,可能表示地球中間不是堅硬的石頭,而是有會旋轉的岩石、金屬體吧?而且,因為磁力與引力相比影響更大,所以內部的球殼一定要處於一個絕妙的平衡來保持球殼不會崩壞。

當然在哈雷的版本中,還是有許多無法解決的問題,例如生命都需要的陽光怎麼達到內部?哈雷試著自圓其說,表示地底可能有許多凹面鏡,反射兩極製造出跟太陽一樣耀眼的光芒。

不過哈雷的地球空心說並沒有讓大家為之瘋狂,大部分人的回應是「恩,我知道了,這樣喔」,而哈雷也沒有再針對這個說法提出解釋或補強。但這也不代表他完全放棄了,事實上,他還執筆親手畫出了 3 個地殼的假設圖,成為地球空心說最標誌的圖像之一。

雖然不被廣泛討論或承認,但在缺乏任何證據的情況下,與哈雷類似的地球空心說在 18、19 世紀偶爾會再重新出現一下,並帶著新的推論和假說。

數學大師也瘋狂

在 18 世紀,地球空心說被兩個數學家研究過,他們是大名鼎鼎的李昂哈德·尤拉(Leonhard Euler)和約翰·萊斯利(John Leslie)。

在微積分、幾何學有莫大貢獻的數學大師尤拉,曾假設空心的地球內有一個直徑將近 10000 公里的溫暖球殼,然後上面住著高科技的種族;萊斯利則是相信地底下有兩個同心球殼,內部還有兩顆恆星提供光線,他將這兩顆莫名其妙出現在地球內的恆星取名為 Pluto 和 Proserpine,也就是羅馬神話的冥王和冥后。

推廣地球空心說的辣個男人——希姆斯

19世紀地球空心說最大的推崇者是美國人約翰·克里夫·西姆斯(John Cleves Symmes),在美國紐澤西誕生的他熱愛研讀自然歷史相關書籍,在 1818 年他出版自己的地球空心說:

「我主張地球是空心的,內部有無數同心球殼而且適宜居住,地球在南北極還有成12~16度的開口已獲得陽光。我發誓要證明這件事,也準備好前往地球內部探險,希望世界能夠支持我。」

John Cleves Symmes Jr. - Wikipedia
西姆斯筆下的地球空心說。圖/Wikipedia

作為一名多產的作家和演講者,西姆斯非常勤奮地到處宣傳他的假說,包括根據整個理論提出著作 “Symzonia: Voyage of Discovery” (姑且能譯為《西姆斯:發現之旅》),還四處募款,試圖前往兩極探險。他的主張「兩極有空洞,為地心帶來光明」的假說基礎是最廣為人知的空心說版本,也是在極地探險成真之前,眾多對兩極的幻想之一。

一波三折的南極探險計畫

西姆斯的努力吸引了幾位關鍵人物的注意,一位名為詹姆斯.麥可布萊德(James McBride)的俄亥俄州有錢人,他不只寫文章支援這個假說,還遊說肯塔基的議員理查.M.強森(Richard M. Johnson)支持前往南極的探險,沒想到理查還真的說服了當時的美國總統約翰.昆西.亞當斯(John Quincy Adams),但草案卻被國會駁回,直到下一任總統安德魯.傑克森(Andrew Jackson)上任之後,一個截然不同的南極探險計畫在 1836 年才被重新提出,但西姆斯已於 1829 年去世,無緣參與這場南極遠征。

1838~1842 美國探勘船隊。圖/Wikipedia

西姆斯死後,地球空心說的代言人由俄亥俄州的一位新聞記者——傑瑞曼亞.雷諾茲(Jeremiah Reynolds)繼承。為了前往南極一探究竟,1829 年雷諾茲加入狩獵船隊,爭取前往南極的機會,但旅途一波三折,不只遭遇叛變,還被同伴流放,經歷了九死一生的冒險才回到美國。隨後 1836 年雷諾茲在國會中演講,大力推崇當時尚未定案的美國南極探險隊,他強調這將會為國家帶來光榮並加強國際事務,但是在籌劃階段他因為不滿進度和內容,所以從計畫中被開除了。

這場探險成功在傑克森總統卸任後 2 年出發,稱為 1838~1842 美國探勘船隊,由查爾斯.威爾克斯(Charles Wilkes)領導,這其實是一次非常正式的探險船隊,目的包括建立海圖、建立航線、收集科學及物種資訊……等,船隊從美國東岸出發繞過南美洲後前進太平洋,並在去程的倒數第二站造訪了南極,但是在希姆斯猜測有大洞的位置什麼都沒找到。

1838~1842 美國探勘船隊的去程路線,第 10 點即為南極洲。圖/Wikipedia

對地球空心說的狂熱並未停止

到此為止地球空心說可以說是正式破解了,但一直以來只要有機會,這個理論就會被丟出來解釋科學發現。例如 1846 年在西伯利亞冰原發現了猛瑪象遺骨,當下就有人懷疑它是不是從北極的大洞內部遊蕩出來、因為找食物而被困在西伯利亞,因為在猛瑪象的肚子內找到未消化的毬果,而死亡又這麼突然。

在 1864 年,還有一位大人物也出手了,也就是現代科幻小說之父凡爾納,他的作品之一《地心歷險記》就是描述一群人從冰島火山進入地心的世界探險,地心中還有大海和古生物。

1869 年一位美國煉金術士賽勒斯.提德(Cyrus Reed Teed)可以說是地球空心說的狂人,而且非常特別,在他的著作 “The Cellular Cosmogony, or The Earth, A Concave Sphere” 中,大膽的假設我們所居住的世界其實是地球的內凹面,我們頭上的天空其實是地球中心,而在我們地殼對面住著一支文明,但是因為濃霧的關係無法發現它們存在,而我們看到的月亮其實是另一個地球內部球殼。

提德所提出,我們世界其實是處於地球的內凹面參考圖。圖/ Wikipedia

提德還改了姓名、創立了名為 Koreshanity 的宗教,並發行雜誌來吸引信徒,為了證明我們所居住的地球面是向內凹,還使用儀器丈量地表!最後,他在佛羅里達還擁有一塊 300 英畝的土地,他和將近 250 名信徒一同活在那裡直到 1940 年。

1873 年,一位神祕學家愛德華.鮑沃爾—利頓(Edward Bulwer-Lytton)完成了 “The Coming Race”,內容有關一群住在地球內部的文明,因為發現神秘的能量來源而科技發達。

1906年,作家威廉.里德(William Reed)出版了一書 “The Phantom of the Poles”表示其實可以搭船從地球外面到達地球內部,因為重力的作用讓他們在經過反轉時完全無感,而且很多水手其實去過了只是沒有發現。

就算是在 1913 年,此時人類已經成功到達並記錄了北極點,一位叫作馬歇爾·佳德爾(Marshall Gardner)的作家還是出版的一本叫作 “A Journey to the Earth’s Interior, or Have the Poles Really Been Discovered?” 的書質疑這件事,書中表示許多已經滅絕的生物其實都住在地球內部,因為地球誕生時,離心力形成了最外層的地殼,但是內部還有一個較重的殼,並持續接收地心的熱度。

A Journey to the Earth's Interior Index
馬歇爾·佳德爾的地球空心說構圖。圖/sacred-texts.com

但是隨著我們對地球越來越瞭解,我們知道這些假說真的都是空穴來風,而在事實確認之下,已經是陰謀論的等級了。

終結地球空心說的女科學家——英厄.萊曼

20 世紀中期,第一位飛行橫跨南北極的人:理查德.伯德(Richard E. Byrd)在他的飛行紀錄回報中完全沒有提到任何大洞;1959 年一艘美國潛水艇從北極圈冰山下鑽過然後在北極地區重新出現,表示沒有大洞;儘管到今天我們在兩極都有觀測站了,還是沒有大洞存在。

1929 年,丹麥的地科學家英厄.雷曼(Inge Lehmann)藉由測量地震產生各種不同的波,推斷地球內有較靠近外部的液態構造和最裡面的固體核心,而這些液態物質的攪動、流動造成了磁場和變化,之後經過無數的實驗和驗證我們總算可以斷定……地球內部不是空的,但是某種程度上哈雷講的也沒有錯,因為我們的地球內部的結構的確有很多不同的層,包括地殼、地函、地心……等。

藉由科學測量得知地科學家英厄·雷曼。圖/Wikipedia

儘管錯得離譜,哈雷的地球空心說讓大家發現了一個可能從來沒問過的問題,激起了後來科學家們研究這件事的興趣,作為啟蒙時代的起步者,這可以說是一個有益於後代進步的有趣陰謀論,科學有趣的地方在於它的反覆驗證、質疑並且修正的特性,我們可以從錯誤的主張,逐漸導出正確的路。

參考資料:


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Rock Sun
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前泛科學的實習編輯,曾經就讀環境工程系,勉強說專長是啥大概是水汙染領域,但我現在會說沒有專長(笑)。也對太空科學和科普教育有很大的興趣,陰陽錯差下在泛科學越寫越多空想科學類的文章。多次在思考自己到底喜歡什麼,最後回到了原點:我喜歡科學,喜歡科學帶給人們的驚喜和歡樂。 "我們只想盡我們所能找出答案,勤奮、細心、且有條理,那就是科學精神。 不只有穿實驗室外袍的人能玩科學,只要是想用心了解這個世界的人,都能玩科學" - 流言終結者


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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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