• 作者 / 丹尼爾‧古德曼
• 譯者 / 許可欣

珍妮佛．帕克（Jennifer Park）

我小心地用鑷子操作放在組織培養箱裡的小管子，在管子中放了已經培養一週的膠原蛋白，膠原蛋白中養著幹細胞。所有東西都經過仔細的消毒——管子、管件和鑷子，下一步是把這個管子插入一個小箱子裡，希望裡面由脈動幫浦產生的規律「心跳」可以誘使細胞變成循環系統的平滑肌細胞。

一週後再檢查這項實驗，我已經可以聞到失敗的味道了。生長媒介散發出淡淡的雞湯味，配件周圍開始長出黴菌，某個煞費苦心的步驟裡，細菌入侵了。我不得不重新開始，把這個失敗、昂貴的實驗清理掉，並找到出錯的環節。一再而再重複。這就是我的研究所生活。

我喜歡變化，我喜歡到新的地方旅遊，嘗試新的食物，探索各種愛好。許多不同的事物都會引起我的興趣，所以多年來，我一直難以深入鑽研某一主題。我追求變化的欲望吸引我到麻省劍橋的塞爾文塔生技公司（Selventa），這家公司利用計算技術，使用系統生物學的方法來理解疾病和藥物的反應機制。

塞爾文塔的工作和我在研究所的生活大不相同——相較於專注於單一疾病，我學到的是許多疾病。我可以看到不同疾病間的機制趨勢，理解它們的差異。我覺得塞爾文塔的工作是有效率、廣泛且直接的——我們發展的藥物在未來幾年即可用來治療病患，而不是試圖了解未來某個時候可用在治療上的細胞功能。

我也喜歡工作中的溝通，喜歡和不同的團隊合作，一起完成專案。我在塞爾文塔工作的時候，從個人貢獻者轉為研究總監，監督團隊合作和溝通。我最近加入另一個波士頓區的生技公司，在那裡我進一步進入管理層，成為業務發展總監。我在新的職位和客戶溝通，了解客戶及公司內部專案團隊的問題和目標，確保我們能滿足客戶的需求。我研究許多疾病，滿足了我對變化的渴望，我也繼續學習新的藥物、疾病和生物機制，這份工作有助於設計出真正有機會進入臨床的最佳療法。

科學和人文的早期學習

我在休士頓一個叫清湖（Clear Lake）的郊區長大，在很好的公立學校上學，父母都是太空總署的承包商，工作地點在詹森太空中心（Johnson Space Center）。父親在俄克拉荷馬州立大學取得電機工程博士，母親在費爾里．狄金生大學（Fairleigh Dickinson）攻讀英文碩士時認識了爸爸，但搬到休士頓後，她又在休士頓大學取得另一個電腦資訊系統碩士學位。

學習科學和人文知識對我們家來說，是成長的重要部分，我拿化學裝置做實驗，我爸會在我和妹妹上學途中提出數學問題，也會幫我們做科展的題目。透過我的母親，我也能接觸到藝術和音樂，她帶我們去聽古典音樂會，幫我們報名音樂和藝術課程。高中時，我參與了樂團，夢想自己能在紐約愛樂交響樂團（New York Philharmonic）演奏單簧管。

高中畢業時，兩大首選大學是柏克萊和康乃爾大學，我選了康乃爾，我想在美麗的郊區城鎮開創人生，而不是搬到已經有姐姐在那裡上大學的城市。在康乃爾，我修讀科學、工程、文學和音樂課程，我在管樂團和爵士樂隊演奏單簧管，心裡好奇當個音樂家會是什麼樣子的。我對自己的職業方向感到矛盾，但身為一個有務實教養的務實人，我選擇追求科學，這個選擇感覺比較穩定，也更有社會影響力。

創造人生

康乃爾有個校外實習計畫，你可以在寒假期間跟著校友一起工作。因為我考慮之後從事醫學職業，我觀察到休士頓安德森癌症中心（MD Anderson Cancer Center）有名整型外科醫生會在病患移除腫瘤後重建他們的外型。我看到了病患諮詢和手術的過程，看著他們做出困難的決定，看著他們的結果，給我留下了深刻持久的印象。等回到康乃爾，我決定不當醫生了，我要做生物工程師，創造新的器官。

我有三次機會在康乃爾從事生物工程研究。第一個研究經驗是在大二後的暑假跟著賴瑞．沃克（Larry Walker）教授，我得以進入由國家科學基金會贊助的計畫，研究如何利用纖維素酶分解纖維素，以進行廢物處理。大三後的暑假，我在喬治亞理工學院（Georgia Tech）馬克．李文斯頓（Marc Levenston）博士的生物力學實驗室找到組織工程的研究機會，我在那裡學習細胞培養技術，利用不同的細胞外基質，從軟骨細胞裡培養類軟骨組織。在大四的時候，我被馬克．薩爾茨曼（Mark Saltzman）博士聘為大學部研究助理，協助進行牙科組織工程計畫，再次研究細胞和基質，創造組織替代物。

大四時，我花了很多時間在大學爵士樂隊演奏單簧管，幫助管理樂隊，同時練習單簧管、做研究還有上課。大四的最後，我發現一個親密的樂隊朋友，同時也是我的爵士老師要在秋天搬到舊金山灣區，所以我決定申請加州大學柏克萊分校就讀生物工程博士學位，我可以繼續研究組織工程，並和朋友兼爵士樂教授一起演奏音樂。在我心中仍存在一個可能性，我考慮當個音樂家，而不是生物工程師。

柏克萊是個研究生物工程的好地方；好幾個教授都在我感興趣的領域進行研究，我加入了法蘭克．索卡（Frank Szoka）博士的藥物運輸和基因治療實驗室。但因為我不確定要專注於哪個計畫，我認為自己需要更多的指導。所以也參加了李松（Song Li）博士的實驗室，李博士利用幹細胞和奈米纖維進行組織工程研究，他是一個新進教授，在實驗室裡還會親力親為，也有時間和學生在一起。後來我選擇李博士作為我的博士論文指導老師，成為他的第二名研究生。

迷人的領域但乏味的實驗

在二○○一年，組織工程還是個新領域，希望能在實驗室培養出患病器官的生物替代品。幹細胞治療也是新的研究方向，它的願景是在適合的環境內，產生可以變成器官的細胞種類。我們的實驗室還紡出了由生物相容性材料組成的奈米纖維，作為細胞排列的支架，這在血管或神經的應用中非常重要。結合三個未來概念——組織工程、幹細胞和奈米纖維——我的研究論文似乎是劃時代又令人興奮的。我的博士論文聚焦於利用在機械力刺激分化幹細胞，創造血管組織，取代動脈粥樣硬化的血管。

雖然這項科學聽來很迷人，實際實驗卻很乏味，而且經常失敗。研究經驗中最棒的部分是分析資料，以及找出生物化學論文和顯微術影像的趨勢，從這項工作中，我知道自己偏好分析，而不是直接實驗。六年後，我完成了研究，發表了有關機械刺激誘發幹細胞分化成不同細胞種類的論文。

研究所畢業後，我決定進入業界，從事會發展最終產品的實用計畫，但我很難找到這樣一份工作。大多數開出的職位需要博士後或業界經驗，我最後在麻省伍斯特的生技新創公司找到工作。先進細胞科技（Advanced Cell Technology，ACT）想利用胚胎幹細胞製作血液細胞，這個領域和我在研究所的心血管專業相似。在ACT工作一年後，我發表有關從胚胎幹細胞中分化出紅血球的論文，然而，這家新創公司的財務狀況不佳，我決定離開。

更好的選擇

我在求職搜尋引擎（Monster.com）上找工作，教育程度設為博士，業界工作經驗為零到一年。在所有開放的職缺中，只有一個符合這些指標，塞爾文塔這家公司的職位看起真的很有趣——分子和計算生物學的分析工作，但不用進實驗室。這個計畫讓我可以學習多種疾病，公司從事系統生物學的開發，專注於大局，在多年辛勞的實驗室生活後，這真的很吸引我。工作地點在劍橋，那裡是麻省生技業的中心，搬到劍橋的話，想參加音樂活動或是結識志同道合的年輕人也比較容易。

不過，這份工作要利用電腦程式進行計算生物學，這兩個領域我都不熟悉。但我在面試時，對方說那些技巧都可以在就職後學習，他們需要的是有強大分子生物學背景的人，他要能讀懂生醫研究的期刊論文的人，我有他們要求的背景，也喜歡那裡的人、那份工作，所以我以科學家的身份加入塞爾文塔。

在塞爾文塔，我們為多種炎症、腫瘤和代謝疾病（如潰瘍性結腸炎、肺癌和糖尿病）創建了計算藥物模型。電腦做出統計預測後，我們會檢查機制，確保在該疾病的生物學上是合理的，然後利用已知機制、新的機制和相關文獻建立網絡。

一開始進入塞爾文塔，我感到不知所措，我從未做這麼深入的分子生物學，身邊的人看來都聰明又博學，但我最終找到了方法，不再拿自己和同事比較，我開始領導專案和團隊，也和客戶有更多互動。我知道自己的優勢在於管理技巧，例如內部溝通及解釋專案結果、對客戶的影響等。我的專長不是想出新奇的科學創意，而是連結人與人，看到大局，利用我對科學的知識，以及對里程碑、時間表的實際理解，幫助團隊更有效率地完成目標。

在塞爾文塔工作七年後，我決定利用我在溝通、管理、大局理解的優點，尋找生技界的另一個職位。我在二○一六年離開塞爾文塔，到另一個波士頓區生技建模公司應用生物數學公司從事業務開發工作。

在應用生物數學公司裡，我們利用數學模式，幫助製藥／生技公司更加理解他們的藥物，找出最佳特性和劑量方案。我們的分析可以在臨床試驗前模擬病患的結果，以加速藥物開發的過程，讓實驗能安排優先順序。我會見客戶，確保我們的專案團隊能符合客戶需求，並尋找新專案的機會。我還是得做一些科學研究，必須了解疾病和有效的藥物機制，但我的角色主要是溝通。在我的新工作中，我可以看到全局，學習藥物開發的各個階段，我喜歡這份工作，從協助加速新藥開發、嘉惠病患中獲得滿足感。

關於主角

珍妮佛．帕克是麻薩諸塞州林肯市應用生物數學公司的業務開發總監，她擁有康乃爾大學的生物工程學士學位，和加州大學柏克萊分校的生物工程博士學位。

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。