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奈米蛋白結合氣膠,蹦出防疫新妙方——AirParma™ 新冠奈米盾團隊臺灣納諾帕瑪 (NanoParma) 專訪

泛科市集的B編_96
・2021/08/03 ・3119字 ・閱讀時間約 6 分鐘

國小高年級科普文,素養閱讀就從今天就開始!!

本文由 泛科市集 委託,泛科學企劃執行。

  • 文|姚荏富

全球疫情持續延燒,雖說各國現已開發出了各種疫苗來應對,但隨著病毒變異,疫情的擴散仍難以阻止。當「與病毒共存」將不可避免地成為我們未來生活,除了疫苗、口罩、酒精、次氯酸、紫外光等傳統方式可以對抗病毒的方法外,在防疫上我們還有沒有其他解方呢?

當然是有的,在這次疫情中就出現了一種新型態對抗病毒的方法,那就是用氣膠粒子來阻斷病毒的傳播。

氣膠與感染之間的關係

根據目前為止各類研究數據來看,新冠病毒會以氣膠為載體進行傳播已被多方驗證,甚至WHO 在今年 4 月 30 日正式承認「氣膠傳播」也是 COVID-19 重要傳染途徑。

氣膠傳播是漂浮在空氣中的微米級顆粒,當在我們講話時,會從氣管裡面呼出水氣,如果是微米等級的,類似 PM2.5 的大小的水珠或顆粒,就會懸浮在空氣中,成為我們所謂的氣膠。

氣膠是漂浮在空氣中的微米級顆粒,當我們講話、打噴嚏或咳嗽時,都會產生氣膠。圖/Pixabay

氣膠的濃度,會因為每個人說話時的呼氣量不同而有所差異,例如打噴嚏就會產生比較多氣膠,小聲講話會比較少。而這些氣膠通常可以懸浮在空氣中好幾個小時,因此新冠病毒能藉由附著在氣膠上,被人體吸入進而感染人類。

從氣膠中斬斷新冠病毒的感染路徑

中山大學醫學科技研究所副教授楊閎蔚的跨系所研究團隊,針對新冠病毒透過氣膠傳染的途徑,結合重組蛋白質技術,成功製造能阻斷新冠病毒藉由氣膠傳播的「奈米盾」(AirParma)粒子。這種粒子模仿新冠病毒要進入人體的關鍵受體 ACE2(第二型血管收縮素轉換酶 angiotensin converting enzyme II),利用這個「餌」,在病毒進入到人體前搶先與病毒結合,不只減少病毒和人體的 ACE2 受體結合後進入細胞的機率,這些結合後的奈米粒子還會成為小水珠快速沉到地面,減少被吸入的可能性,而且即使吸入了也比較難被感染。目前這項設計已經由楊副教授後來成立的 NanoParma 團隊成功量產。

從體內大戰到體外大戰

新冠病毒表面的棘蛋白會與宿主細胞表面的 ACE2 結合,然後進入宿主細胞。這代表新冠病毒需要透過 ACE2,才能進入細胞,而人類的呼吸系統中的細胞,就含有許多 ACE2 受體,因此病毒主要會感染呼吸道,進而發展成肺炎。

照著這個思路,楊副教授與其研究團隊採取了「投其所好」的作戰策略,做一個類似 ACE2 的餌,在病毒接觸到人體前,棘蛋白就會跟這個假餌結合,只要病毒被假餌誘捕後,就很難再跟其他 ACE2 結合了,這樣病毒自然也比較難感染人體。而這個餌就是他們開發出來的「奈米盾」(AirParma)粒子。

圖/臺灣納諾帕瑪提供

這樣設計有兩個很大的好處,其一,他不需要怕變種病毒的出現。因為只要病毒是藉由 ACE2進入人體的的情況下,病毒就會被假餌誘捕,除非病毒變異到不會抓 ACE2,但這時候仍然可以透過針對變種病毒設計新的餌來誘捕。

其二,如果有其他不同的病毒出現,基於上述的捕捉邏輯,依現在生物工程的能力,只要改變餌的設計就可以針對不同的病毒去做應對,模組化的載體平台也可以像釣魚竿換魚餌一樣換上不同的誘餌,可以說是廣效性非常好的設計。

撒下空氣防禦網,降低病毒傳染機率

經實驗測試,「奈米盾」(AirParma)粒子在半小時內可以和空氣中 67.8% 的新冠病毒結合,大幅減少空氣中病毒的傳播效率,此外「奈米盾」(AirParma)可配合霧化器使用,運作半小時就可以讓空間擁有足夠濃度的「奈米盾」(AirParma)粒子,而這些「奈米盾」(AirParma)粒子在空氣中約可存在 1~2 小時,如果在人多的空間就非常建議持續使用。而「奈米盾」(AirParma)的應用空間還可以搭配其他器材使用,像是配合空氣清淨機的 HEPA 濾網加速過濾空間中的病毒,有效降低空間內群眾感染的風險。

配合霧化器使用的 AirParma。圖/臺灣納諾帕瑪提供

目前,「奈米盾」(AirParma)已經應用在台安醫院、恩主公醫院、新竹馬偕醫院等各大醫療院所,幫助醫療人員有效降低病毒氣膠傳染的風險。

台安醫院使用 AirParma 降低氣膠傳染的風險。圖/臺灣納諾帕瑪提供

跨領域的延伸應用,看似簡單但困難重重

楊閎蔚副教授表示,其實團隊之前並不是主攻氣膠研究,而是主攻奈米技術開發,這些技術的應用場景多半是在癌症治療的環境上,但這一兩年因為新冠肺炎的關係,才開始規劃把原本的奈米技術轉移到用在新冠肺炎的防疫上,才產生了研發「奈米盾」(AirParma)的發想。

NanoParma 團隊的 CEO 林芷瑋和我們補充說明,為了這個情況要特別開發,在實務上成本跟時間都偏高,所以團隊就選擇使用已經成熟的技術來去做設計。基本上就是把原本的技術拿來看能不能結合現在這些情況,然後利用擅長的技術來嘗試著解決它。這其實也是為什麼這麼多國家可以快速開發疫苗的原因。

不過,開發的過程中也沒有想像中的順利,研究員龎浩翰表示,當初要從蛋白質技術轉到氣膠與防疫領域,對自己來說算是完全全新的概念,原本做奈米材料跟癌症治療,是比較偏基因工程、重組蛋白還有藥物輸送這幾個方向,這跟病毒傳播可說是大相逕庭,因為癌症治療跟藥物輸送是生物體內或細胞裡面的事情,而現在改成必須要決戰體外的世界,真的是一大挑戰。除此之外,這次設計病毒餌的概念,對團隊來說也是全新的嘗試,在開發氣膠蛋白粒子時,其中穩定性和有效性的驗證都是之前完全沒有接觸過的領域。此次能有這樣的開發成果,是團隊夥伴們不懈的努力與突破換來的成就。

當然,要從學術跳到產業界也是一個很大的課題,CEO 林芷瑋 表示:「每一個產品從實驗室到製造,其實都是非常不容易的事。很多時候實驗室裡做 OK,但到製造的時候無法量產,光是參數的調整就要花不少的時間,甚至可能要打掉重練。但 AirParma 整體來說都還蠻順利的,有趣的是一開始決定要做的時候,團隊其實花比較多在做另外一項快篩的產品,但五月中臺灣疫情開始爆發,這時候團隊就開始想要不要把原本就有在設計的 AirParma 開始商品化,大概一個月之後就開始試量產,整個過程都蠻順利的,也很感謝找到的合作廠商都很專業,也積極配合團隊,一起幫忙做各種調整,感覺冥冥之中有種祝福,才能在一個月就能完成,真的很神奇。」

談起疫情延續了近兩年,全世界除了疫苗之外也開始有許多不同的抗疫產品出現,被問到 AirParma 與這些抗疫產品有哪些差異,CEO 林芷瑋認為像現在市面上疫苗或是藥物,基本上就是走與病毒直接對抗的模式,這樣的模式雖然能讓病毒快速被抑制,但存留下來的病毒若發生變異,也會增加在宿主體內突破疫苗或產生抗藥性的風險,而 AirParma 的模式則是投其所好,病毒喜歡 ACE2 ,就給病毒這種餌去抓,被捕捉的病毒感染能力也會隨之降低,也算是另類的與病毒共存。利用這套邏輯,未來只要知道那些可以氣膠傳播病毒喜歡什麼受體,NanoParma 團隊就可以設計出相應的餌給病毒,有效的阻斷病毒的傳播,可謂是讓人類的防疫陣線,有了全新的防疫生力軍。

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寵物過敏原有很多種,避免飲食過敏困擾,可選擇單一/特殊肉種寵物飼料
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2023/06/06 ・2173字 ・閱讀時間約 4 分鐘

本文由 新萃 Nutri Source 委託,泛科學企劃執行。

你有發現家裡的狗狗經常舔自己四肢,或是身上出現不明紅疹?當心這可能是過敏反應。寵物和人類一樣,也會有過敏反應,過敏可依照「來源」分為三種:吸入性過敏、接觸性過敏和食物性過敏。

寵物的過敏源有哪些?

不管是哪一種過敏反應,在人的身上都比較容易發現和排除。但狗狗的過敏卻很難處理,如果是接觸性或吸入性過敏,即使你把家裡打掃得很乾淨,還是無法排除帶狗出去散步時可能接觸到的環境過敏原。因此,對飼主來說,最容易控制的是食物性過敏。

食物性過敏是怎麼發生的呢?其實,「食物過敏」這個詞並不太準確。正確的臨床醫學用詞是「食物不良反應」(Adverse Food Reaction, 簡稱AFR)(Jackson, H. , 2009),指的是吃下食物後身體產生各種不良反應。並進一步分為食物過敏(Food Allergy)和食物不耐受(Food Intolerances)兩種。

如果你看過動漫作品《工作細胞》,你就會知道過敏其實只是免疫系統對特定成分產生的過度反應,因此全名為「過分敏感」;而食物不耐受則並非免疫性反應,而是消化系統無法代謝或對該生物體有毒,例如狗不能吃洋蔥或巧克力,否則會致死等等。

由於寵物沒有選擇權,只能吃飼主提供的食物,如果飼料中恰好有會造成牠 AFR 的成分,就可能產生各種症狀。除了腸胃發炎和拉肚子外,最明顯的外在症狀就是皮膚問題,包括搔癢、脫毛和紅疹等。後者容易被誤判為皮膚性疾病,讓許多飼主狂跑獸醫院的同時,獸醫也難以對症下藥。

雖然曾有研究透過讓醫師用血液或唾液是否檢測出 IgE 抗體來判斷狗是否過敏(Ermel, R et al.,1997),但最新的研究卻發現,無論使用無論血清的 IgE 抗原或是唾液裡的 IgM 或 IgA 抗原都無法有效檢測出狗狗的過敏來源(Udraite Vovk Let al., 2019 & Lam ATH et al., 2019),甚至會造成偽陽性誤判。因此,目前學界公認唯一能識別食物過敏原的方法就是「食物排除法」(Food Elimination Method)。

以食物排除法,找出毛孩的食物過敏原!

食物排除法的原理相當簡單粗暴,類似我們過去在學校做的實驗一樣,抓出「控制組與對照組」。首先,將狗狗的食物換成牠沒吃過、單一來源且易消化的高蛋白質或水解蛋白質;同時嚴格限制牠對其他食物接觸,包括其他人餵食或路上亂吃等可能性都要注意,此為「對照組」,如此持續 8~12 週,觀察皮膚是否有改善。如果確實有改善,那就證明了確實是 AFR 而非皮膚病。

下一步我們可以進行「食物挑戰」,在每餐食物中逐一嘗試可能的過敏原(例如常見的牛肉、雞蛋等),有如「控制組」,等到症狀又出現,就可以確認哪種食物成分是過敏原,未來就可以在飼料中排除,讓狗狗健康快樂地成長。

這個方法需要飼主的大力配合和耐心紀錄,不僅要在漫長的試驗期,更需要在控制期一一排除所有不可能之後,才能找到答案。而其中最困難的部分,也是實驗的基礎可能是第一步:「提供狗狗牠從未吃過,且肉品單一的蛋白質」,這點對多數飼主來說幾乎是不可能的任務,因為大部分的寵物飼料成分都很複雜。不要說狗狗了,搞不好你連自己沒吃過什麼恐怕都不知道。

飼料成分多而雜,可選單一肉種飼料降低過敏。

那該怎麼進行食物排除法呢?別擔心,沒有找不到的肉品,只有勇敢的狗狗。市面上已經有了針對過敏狗狗的低敏飼料,新萃推出了一系列低敏肉,包含單一肉種的袋鼠肉、鹿肉以及野豬等相比牛豬羊等較不容易取得的肉類,是進行食物排除法第一步測試的首選。

此外,新萃牌無論哪種飼料都有美國專利 Good 4 Life® 奧特奇專利保健元素,能促進飼料中的營養都被狗狗完整吸收。不僅過敏的狗狗能吃,有消化不良症的狗狗也適用。

新萃商品選擇的是單一/特殊肉種的成分,低敏感肉品讓寵物吃了更安心。

參考資料

  1. Thus for the purpose of this discussion, although the term food allergy is used throughout, it should be recognized that this term is a presumptive clinical diagnosis and adverse food reaction is a more accurate term for these canine cases. – Consensus
  2. Jackson, H. (2009). Food allergy in dogs – clinical signs and diagnosis.. Companion Animal Practice.
  3. Assessment of the clinical accuracy of serum and saliva assays for identification of adverse food reaction in dogs without clinical signs of disease – PubMed (nih.gov)
  4. Lam ATH, Johnson LN, Heinze CR. Assessment of the clinical accuracy of serum and saliva assays for identification of adverse food reaction in dogs without clinical signs of disease. J Am Vet Med Assoc. 2019 Oct 1;255(7):812-816. doi: 10.2460/javma.255.7.812. PMID: 31517577.
  5. Direct mucosal challenge with food extracts confirmed the clinical and immunologic evidence of food allergy in these immunized dogs and suggests the usefulness of the atopic dog as a model for food allergy. – Consensus
  6. Ermel, R., Kock, M., Griffey, S., Reinhart, G., & Frick, O. (1997). The atopic dog: a model for food allergy.. Laboratory animal science.
  7. https://www.moreson.com.tw/moreson/blog-detail/furkid-knowledge/pet-knowledge/dog-food-allergen-TOP10/
  8. 狗狗因為食物過敏而搔癢不舒服,為什麼做「過敏原檢測」沒什麼用?
  9. 【獸醫診間小教室】狗狗皮膚搔癢難改善?小心食物過敏! – 汪喵星球 (dogcatstar.com)
  10. 寵物知識+/毛孩對什麼食物過敏?獸醫:驗血完全不準!診斷法只有一個 | 動物星球 | 生活 | 聯合新聞網 (udn.com)
  11. Is there a gold-standard test for adverse food reactions? – Veterinary Practice News
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用數學看見微觀的生物演變!深研分子演化學 50 年的巴仁獎得主——李文雄專訪
研之有物│中央研究院_96
・2023/04/20 ・7970字 ・閱讀時間約 16 分鐘

國小高年級科普文,素養閱讀就從今天就開始!!

本文轉載自中央研究院「研之有物」,為「中研院廣告」

  • 採訪撰文/寒波
  • 責任編輯/簡克志
  • 美術設計/蔡宛潔

80 歲高壽的分子演化學家

您知道中央研究院有位相當低調的遺傳演化學大師嗎?此人開創了許多分子演化的數學分析方法,他就是生物多樣性研究中心的特聘研究員李文雄院士!數學是李文雄用來描述生物演化的工具,用 DNA 序列計算分子時鐘是他的重要貢獻。至今 80 歲高壽的李院士,是國內唯一獲得巴仁獎榮譽的得主,不僅培育眾多學生,並且依然在最前線探索未知。中研院「研之有物」專訪李文雄,邀請他分享在美國與臺灣的學研經歷及主要研究成果。

李文雄院士開創了許多分子演化領域的數學分析方法,對遺傳及演化學的發展影響甚遠。圖/研之有物

用數學在演化生物學領域開疆拓土

李文雄身為世界首屈一指的分子演化學家,也是經典教科書的作者,學分子演化的人肯定讀過他的書或論文。不過讓年輕學子們驚訝的是他大學就讀的科系,其實和生物及數學沒有直接關係,而是中原理工學院(中原大學前身)土木系。

李文雄表示,當年資訊閉塞,他像同學一樣照著聯考分數填志願,就這麼進了土木系。讀到大二接觸專業科目後,確認土木不是想要念的學門,便考慮投入數學或物理領域,又以數學比較得心應手。可惜他沒有考上數學碩士班,倒是考進了中央大學地球物理研究所。拿到碩士之後,李文雄更加確定比起物理,自己更適合念數學。

早年臺灣的進修資源很有限,李文雄選擇赴美深造,就讀布朗大學的應用數學博士班。當構思論文題目時,他想要找一個還沒有人用數學深入探討的領域,以便發揮所長。那時日本出身的遺傳學家根井正利(Masatoshi Nei)正好轉到布朗大學生物系授業,李文雄與他討論後,決定帶著數學專長投入尚待開拓的生物學,就此開啟 50 年輝煌的研究生涯。

李文雄在博士班前的求學之路,可以說比其他人多走了好幾步,但也練就了深思熟慮的精準眼光,「Make right choice!」是他學到最重要的能力。用數學來探討生物學,即為他一生最好的抉擇之一。

轉換跑道到生物學,李文雄幾乎沒有遇到太多困難,即使他是在博二暑假才開始學遺傳學,但數學好的人在群體遺傳學領域有些優勢,他受到師長賞識,只花費兩年就完成博士論文,再經歷一年威斯康辛大學麥迪遜分校的博士後研究,1973 年李文雄便前往德州大學休斯頓分校擔任助理教授,因為恩師根井正利在一年前已搬去那裏。

李文雄的恩師根井正利,國際知名分子演化學家,2013 年獲得日本京都獎。圖片為日本京都獎專訪片段。(Photo courtesy of The Inamori Foundation)資料來源/Kyoto Prize

「分子演化」探討微觀的生物演變

分子演化(molecular evolution)和我們一般認知的演化有什麼不同?生物以 DNA 承載遺傳訊息,基因又會產生蛋白質。分子演化學簡單說來,是以 DNA、蛋白質這類遺傳資訊探討生物隨時間演變的學問。

分子演化學在 1960、1970 年代,木村資生(Kimura Motoo)、威爾森(Allan Wilson)等前輩主要是以蛋白質序列作材料,由於蛋白質定序很慢成本也高,李文雄並沒有跟風投入研究。直到後來桑格(Sanger)的 DNA 定序方法 1977 年問世後,陸續有 DNA 資料發表,李文雄認為時機已到,便全心擁抱分子演化學的新天地,大獲成功,成為引領潮流的先驅者。

李文雄開始研究分子演化時已經有電腦,但當時還是卡片打孔的時代,計算過程相當繁複,不像現在有各種套裝軟體可以做數學統計分析。值得一提的是,今日相當受歡迎的分析軟體「MEGA」(Molecular Evolutionary Genetics Analysis),便是恩師根井正利與弟子們一起開發而成的。

在詳細講分子演化之前,我們還是先來複習一下遺傳學吧!

DNA、DNA 密碼子與氨基酸的對應案例。圖/研之有物(資料來源/Wikipedia

基因編碼以三個核苷酸為一組密碼子,並對應一個氨基酸(蛋白質的基本單位)。DNA 有 A、T、C、G 四種核苷酸,可以形成 64 種組合,而氨基酸只有 20 種,所以有些氨基酸對應兩種以上密碼子。

因此改變 DNA 的核苷酸,有時候不會改變氨基酸,此時稱為同義突變(synonymous mutation);有時候會改變氨基酸,此時稱為非同義突變(nonsynonymous mutation)。比較 DNA 序列和胺基酸序列變與不變之比例,就能大約估計天擇力量的影響,推測天擇是傾向去除突變還是選擇突變。這是分子演化常見的分析之一,李文雄的實驗室開發了數個被廣泛應用的分析方法。

在分子演化興起前,不同生物間的親疏關係,可以透過生物形態的相似程度建構演化樹,但形態資料很有限。比較生物 DNA 或蛋白質的資料,可以細緻地釐清物種間的親緣關係,對分類學的貢獻很大。

比方說早期演化學家會比較一群鳥類的嘴喙特徵,兩種鳥喙的形態差異較小,便代表其親緣關係較近;而分子演化學家則是比較這群鳥類的 DNA 或蛋白質序列的差異,更能釐清彼此的親緣關係。

形態是巨觀的,分子是微觀的。但我們也可以說每一處 DNA 或氨基酸位置都相當於一種形態。分子資料通常更容易取得,可提供比較的特徵數量也比形態還多很多,更容易計算。

現今探討親緣關係,最好能考慮不同材料,有多重證據的支持,因此分子演化的分析方法就相當重要。李文雄在親緣樹建構及統計評估的方法上有重要貢獻。

李文雄回憶,他的好朋友古德曼(Morris Goodman)當初便靠著分子生物學的方法,釐清人類和黑猩猩(chimpanzee)的遺傳親緣關係,要比和大猩猩(gorilla)更近,解決了爭議了數十年的「大猩猩—黑猩猩—人類的三角問題」,是一大貢獻。

大師傳承的軌跡:中性演化和分子時鐘

今日分子演化之所以和 50 年前有很大差別,其中就有來自李文雄的重要貢獻。李文雄建立了數學方法讓「分子時鐘」(molecular clock)理論得以實際應用至生物演化的分析。

分子時鐘的概念是:DNA(或蛋白質)序列的演化以等速進行。如果這個假設成立,則透過兩個物種之間 DNA 序列的差異,就可以估計分化的時間。也就是以分子的變化量為時鐘來計算這兩個物種分離後時間的流逝。

之所以可以這樣假設的基礎,是生物在一代代傳承下,由於突變之故,遺傳序列不斷累積新的變化,稱為「取代」(substitution);而取代的數量正比於世代數,例如每一代新增 5 處取代,差異 50 處便可回推經過 10 代。

分子時鐘的示意圖,DNA 序列的變化量正比於世代數。假設每條 DNA 序列花費 2500 年取代一個鹼基,圖中兩個現代物種的 DNA 相差四個鹼基,我們可以估計這兩個物種的演化時間相差一萬年,而共同祖先至少生活於 5000 年前。圖/研之有物(資料來源/University of California Museum of Paleontology

然而,這假設與傳統達爾文的天擇概念有很大的出入;因為分子時鐘這樣假設的意思就是說:大部分突變不會影響天擇,對生存競爭的影響可謂中性(neutral)。上述觀點也就是根井正利和李文雄的前輩:木村資生提出的「中性演化理論」。

木村資生認為,大多數遺傳分子的改變未必和天擇有關,個體間的遺傳多樣性往往是隨機變化的結果。當初這個論點引發很大爭議,後來又經過許多改版與補充,如今中性演化的觀點已被許多學者接受,分子層次的遺傳變異,常常不影響其天擇;新突變取代舊的遺傳訊息,未必是因為其有利於生存競爭,也常常只是運氣好而已。

中性演化理論提供了分子時鐘的理論基礎,帶來許多突破。例如受到注目的智人(Homo sapiens)起源問題,於 1980 年代根據各地人群間的遺傳差異程度,判斷歐亞人與非洲人分家只有數萬年,而非多地智人起源論主張的上百萬年,這便是「單地起源,智人出非洲說」的有力證據。

李文雄自己在 2000 年代初期也指導博士生陳豐奇(現職為臺灣國家衛生研究院的研究員),比較人類與人猿非編碼區的 DNA 序列,便估計出人類與黑猩猩分家約 600-700 萬年。

李文雄院士證明分子時鐘的運行速度和世代長短有關,世代愈短,演化速度愈快。圖/研之有物

李文雄在 1980 年代的一關鍵貢獻就是,率先用 DNA 序列評估分子時鐘的正確性,發現取代的速度並非等速。他證明分子時鐘運行的速度和世代長短有關:世代愈短,時鐘愈快。例如大鼠、小鼠的世代比人類的世代短得多,而牠們之間演化的速度,也是人類與人猿間的大約 5 倍。此一發現有助於更準確地估計兩個物種間的分家時間。

李文雄另一重大發現是,同一物種的兩性之間,生殖細胞的突變速度可能不一樣,男比女快。這在生物學上的理由是:生殖細胞的複製及分裂次數不同。女生的卵在出生前便已儲備好了,而男生的精子則是一輩子持續複製,所以男生生殖細胞的突變速率比女生快。

關於同一物種的性別演化差異,李文雄表示這是前輩霍爾丹(J. B. S. Haldane)提出的觀點。李文雄設計好 DNA 定序區間及物種,產生適合材料,於是就驗證了此假說。雖然講起來雲淡風輕,但若讀者了解遺傳學發展史應該會深受震撼,因為霍爾丹正是奠定族群遺傳學的三大名家之一,從霍爾丹到李文雄,我們可以看見大師傳承的軌跡。

遺傳與演化學最高榮譽:巴仁獎

靠著數學和分子生物學的分析,李文雄解決了許多演化生物學的難題。比如,他在 1991 年就以很有限的人類 DNA 序列資料,預估人類的 DNA 多樣性低於 0.1%,比果蠅的低不少,十年後大量的資料證明他的預估是正確的!還有,在 2001 年當黑猩猩的基因體資料還很有限時,他就預估出人類與黑猩猩的基因體相差只有 1.2%,這個預估引起很大的震撼,因為人類與黑猩猩看起來很不一樣,但當黑猩猩的基因體於 2005 年發表時,得到的答案與李文雄的預估完全一樣!

承上,李文雄陸續受到各界肯定,他於 1998 年被挖角到芝加哥大學擔任 George Beadle 講座教授(Beadle 為一位諾貝爾獎得主),並當選中研院院士。2003 年更獲得兩項重大榮譽:美國國家科學院院士和巴仁獎(Balzan Prize for Genetics and Evolution)。

要成為美國國家科學院的院士並不容易,對學者而言是極大的榮譽。例如:以中研院為例,最近的三任院長廖俊智、翁啟惠、李遠哲;以及超導物理學家吳茂昆、公衛學家陳建仁、經濟學家朱敬一、植物學家蔡宜芳等,每一位都是該領域世界級科學家。

獲頒巴仁獎則更為難得,李文雄是史上第三位得獎的遺傳與演化學家,也是第一位亞洲出身的巴仁獎得主。巴仁獎從 1978 年以來獎勵人文、哲學、物理科學、生物科學,或促進和平的傑出人士或組織。對演化學家來說,巴仁獎就是遺傳與演化學的最高榮譽。

李文雄在 2003 年獲得遺傳與演化學最高榮譽:巴仁獎。(Courtesy of The Balzan Prize)圖/李文雄

李文雄獲得巴仁獎時的引文如下:

「李文雄對分子演化做出了許多基礎性的貢獻。他開發並應用了數學技術來解決非常廣泛的問題,他的方法是屬於該領域最常用的方法。

隨著 1980 年代以來 DNA 序列數據的爆炸式增長,李文雄一直是通過比較 DNA 序列來推斷演化關係的方法的設計師。他在建立估計演化樹的準確程度和可以放在其中的統計置信度的方法方面特別有影響力。

以往解釋 DNA 數據的一個關鍵假設是 DNA序列的變化在演化時間上以恆定速率進行(所謂的分子時鐘)。該假設常被用於估算譜系分歧的時間。1980 年代,李文雄第一個證明分子時鐘的運行速度取決於世代的長短:世代越短,時鐘越快。因此,時鐘在大鼠和小鼠之間的演化速度是猴子和人類之間的演化速度的五倍。這一發現有助於更好地估計兩物種的分歧時間。

李文雄在證明 DNA的突變率在男性生殖細胞高於女性生殖細胞的工作也很有影響力。他已經在包括人類在內的高等靈長類動物以及囓齒動物證明了這一點。

除了開創性研究外,李文雄還在分子演化領域的教育上 扮演一核心人物。他的書被認為是該領域的權威。」

在獲得巴仁獎的遺傳及演化學家之中,第一位為 1984 年得獎的萊特(Sewall Wright,美國人),與前述提及的霍爾丹,同為族群遺傳學三大開創者之一;第二位則是 1991 年英國的梅納德史密斯(John Maynard Smith),再來就是 2003 年的李文雄。生物科學包含那麼多領域,遺傳及演化大約十年才得獎一次,讓李文雄覺得這項肯定十分難得。

李文雄的成就受到芝加哥大學的肯定,在 2004 年為他設立 James Watson 講座教授(Watson 以雙螺旋 DNA 模型得諾貝爾獎,是一家喻戶曉的名字),並提供研究資源。然而,過了四年之後,李文雄決定回到臺灣,提攜後進。

回歸臺灣,培育後進

2008 年,李文雄終於回到這塊多年成長的土地,擔任中研院生物多樣性研究中心的主任。除了自己的研究外,他特別重視兩件事:首先是和臺灣師範大學合辦「生物多樣性國際研究生博士學位學程」,在臺灣本土培育新生代的研究人員。

再來他號召成立「臺灣演化與計算生物學會」,成立的初衷是因為李文雄覺得臺灣研究演化的人不多,希望讓演化、生物資訊領域的人集中起來交流,尤其是讓年輕的研究者有練習發表的舞台,增加被認識的機會。擔任兩屆理事長後,李文雄交棒給臺灣大學的丁照棣教授,以及陽明交通大學的黃宣誠教授。

學會在李文雄奠定的基礎上持續前進,2012 年開始年年舉辦國際研討會,除了邀請外國學者參加,也會特別安排新進學者演講的場次,至於博士生、博士後,則設有專屬的口說與壁報比賽。另外為了兼善臺灣各地,年會舉辦的地點一年在臺北,另一年在臺北以外輪流,包括高雄、臺南、臺中、苗栗等地,展現兼顧不同區域的用心。

李文雄也鼓勵大家,多參加不同的研討會與加入學會。獲取新知對做研究的人相當重要,參加活動多看多聽多交流,都是寶貴的機會,不只能增加知識,有時候也能獲得他人幫助,有助於自己的研究。

回到臺灣以後,李文雄除了指導學生,本人依然站在研究的第一線,而且兼顧學術與應用的方向,合作對象眾多,議題包括鳥類羽毛的發育演化、微生物固氮作用的起源與演化,還有開發 C4 水稻(水稻是 C3 植物,希望能改造為光合效率更好的 C4 型態)等等。

近期值得一提的是,李文雄與合作團隊發表在分子演化頂級期刊《Molecular Biology and Evolution》的研究。他們探討新冠病毒棘蛋白(spike protein)的受體蛋白 ACE2 的演化,發現一些非人類的靈長類動物,有大量降低親和力的 ACE2 突變,讓這些猴子的 ACE2 不容易和病毒的棘蛋白結合,因此對病毒有很強的抵抗力。又發現有少數人的 ACE2 也帶有會抵抗病毒的突變。李文雄也說,如果人類與舊世界猴子的共同祖先的 ACE2 沒有突變成與棘蛋白更容易結合的話,也許新冠病毒就不會造成全球大流行,或是病毒的危害不至於那麼廣、那麼深!

李文雄與合作團隊分析了靈長類動物的 ACE2 的演化,ACE2 是新冠病毒感染宿主的結合受器。研究顯示,左側的舊世界猴子(獼猴、大猩猩、長尾猴)和人類一樣容易感染新冠病毒,右側的眼鏡猴與兩種新世界猴子(松鼠猴、金絨猴)則對新冠病毒具有很強的抵抗力。圖/研之有物(資料來源/中研院生多中心)

勇於追求「跨領域」研究,尋找新鮮的問題

李文雄入行 50 餘年一直活躍在第一線,作為參與者和見證人,最有資格回答「分子演化學在過去和現在有什麼不同?」。他表示,以前容易找到重要的題目,但是取得資料的速度很慢。現在隨著分子生物學及資訊科學技術的進步,比較容易取得大量資料,資料多就容易找到題目,寫論文不難,內容也會比較豐富。可是期刊的要求也變高,而且比較不容易找到新鮮的議題,如今剩下的題目,多半是舊題目的延伸,或是難度很高。還好,現在科技發展迅速,目前的難題也許在不久的將來,就可以解決!

李文雄還是如年輕時一般,善於尋覓突破機會。像是微生物的固氮作用,無疑是重要的問題,氮是所有生物的必要元素,但只有非常少數的微生物可以固氮!可是從前卻少有演化學者研究這個問題,這就會成為好的題材。

另一方面隨著技術進步,以前難如登天的問題,現在也可能有機會解答。上面提到人類與黑猩猩的 DNA 分歧只有 1.2%,但兩者間的差異除了非編碼區外,也有很多來自基因調控不同的區域,尤其是腦部發育。過去這幾乎是不可能探索的議題,如今難度雖大,卻是有希望解決的難題。總之,在李文雄的視角中,一直都有新鮮的問題。

科學隨著歲月累積,現在入行的新人,必須先具備的知識遠超過李文雄當年,必須勇於追求「跨領域」研究。李文雄建議大家,不論時代如何改變,都要確認自己的喜好與專長,才能有計劃地學習和投入。李文雄以自己為例,他不會做實驗,但為了解決他很感興趣的生物問題,他設立一分子生物學實驗室,拿到了很多實驗資料,進而解決了不少演化難題!

讓李文雄院士印象最深刻的研究是⋯⋯

演化生物學時常有驚奇的新發現。身為世界級的演化大師,李文雄漫長的研究生涯中,對哪件科學發現的印象最深刻呢?

答案十分有趣,竟然是「河馬是鯨魚和海豚最親近的親戚」!

鯨魚、海豚是由陸地回到海洋生活的哺乳類,很難想像牠們在演化樹上的位置很相近。然而,透過 DNA 分子的比對,演化學者發現在現存動物中,鯨豚最接近偶蹄目的河馬。

鯨豚與偶蹄類的親緣關係,偶蹄類動物中的河馬和鯨豚最為相近。圖/研之有物(資料來源/Systematic BiologyWikipedia

此外,李文雄認為黑猩猩與人類的差異也相當有趣!威爾森(Allan Wilson)在 1970 年代發現黑猩猩與人類的蛋白序列幾乎相同,雖然它們在外觀與行為上有很大的不同,所以威爾森認為基因調控的演化是造成黑猩猩與人類有不同外觀和行為的主要原因,但到底是哪些基因調控上的不同,至今還是個謎!

最後,李文雄對非洲維多利亞湖(Lake Victoria)慈鯛魚(cichlids)的大量種化現象,也感到非常的奧妙,為什麼在同一個湖泊裡可以演化出這麼多慈鯛魚物種呢?!

投身科學研究 50 多年,取得一項又一項重大成果,李文雄依然由衷保持對新知識的好奇與樂趣。

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研之有物│中央研究院_96
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中國解封後,大規模疫情將出現超強變異株?疫苗還有效嗎?
PanSci_96
・2023/03/19 ・2036字 ・閱讀時間約 4 分鐘

2022 年 12 月 26 日也開放了出入境的管制,並且解除封控;有些媒體報導,解封之後的 20 天,中國感染人數就達到 6 億,這個數字幾乎就是三年來的全球病例通報總數……。

有人認為這樣大規模的感染會產生新的變異株,這個推測根據在哪?另外,若是新變異株擴散開來,次世代疫苗是否仍有用?

次世代疫苗能否對抗新變異病毒

首先,我們來談談新的變異株以及這一波中國疫情帶來的影響。

現在的變異株 XBB、XBB 1.5、BF.7、BQ.1.1 等都是 Omicron 衍生而來的,例如:XBB 或 XBB 1.5 都是由 BA.2 突變而來,而 BF.7 以及 BQ.1 則是由 BA.5 突變形成新的變異株;這些變異株比起原始株具有更強的免疫逃避性以及傳播力,這也表示著,疫苗所產生的抗體效果更差,傳播的機率更高。

因此,如果只打了三劑原始株疫苗,體內的抗體幾乎無法對抗 BQ.1 及 XBB,即便是打過疫苗又經歷過 BA.2 或 BA.5 的突破性感染,體內對抗 XBB 及 BQ.1 的效果也有限;不過若是打次世代疫苗的加強劑,對比施打四劑原始株疫苗,對抗 XBB 和 BQ.1 效果仍較好。

比起施打四劑原始株疫苗,次世代疫苗加強劑對抗變異株的效果較好。圖/Envato Elements

以台灣 COVID 流行的數據來看,本土主要流行病毒株仍然為 BA.5 以及 BA.2.75,兩者佔了 83%,BQ.1 目前已佔 2% ;而在境外移入案例中,BQ.1 和 XBB 雖然僅佔 18%,但 BQ.1 或 XBB 都比 BA.5 有更強的傳播力和免疫逃避力。未來 BQ.1 或 XBB 有可能逐漸取代 BA.5 和 BA.2.75 成為台灣流行的變異株。

至於新的變異株是否更「毒」呢?根據分析再感染研究報告指出,Omicron 開始流行的前三個月,其再感染率達 3.31%,這也顯示面對新的變異病毒株時,的確有再感染的風險。但若是我們觀察 XBB 和 BQ.1 取代其他病毒株流行的國家中,其實住院率並沒有明顯上升,這可能表示 XBB 和 BQ.1 的毒性沒有增加,或是因為二價疫苗施打。

短時間大規模疫情會產生新的變異病毒株?

由於 SARS-CoV-2 為 RNA 病毒,較 DNA 病毒在複製過程中更容易產生突變;另外,若病毒感染了免疫低下的族群,更容易在人體內產生更多突變,新病毒株越容易產生。但也不必過於擔憂,突變後的病毒在傳播後,還需進行淘汰賽,才能選出強者病毒。

突變後的病毒傳播至人體後,還需進行淘汰賽。圖/Envato Elements

那麼是否打了有效疫苗或是感染過的人,就不會促使病毒產生新的變異呢?這牽涉到了一個免疫學上的概念——「抗原原罪現象」。

這個現象是指,當我們身體藉由感染或疫苗注射獲得抗體後,若再次遇到有「些微差異」的病毒時,身體會傾向使用之前獲得的抗體記憶來產生抗體,而無法針對該病毒產生更有效的免疫力;也就是說,如果這些先前的抗體沒有辦法有效滅掉變異病毒時,反而會變相篩選掉之前感染的病毒,留下可以躲開抗體攻擊的變異病毒。在這樣的條件下,當環境充斥著大量病毒,造成突破感染,更助於變異病毒成功突圍而出。

另外還需考量到,不同國家、地區流行的病毒突變株不同,所施打的疫苗也不同,這就表示,如果疫苗效果越差,又將帶口罩、隔離、消毒等公衛措施取消,便會促使病毒傳播到已經具有抗體的人,造成突破性感染。

各地所施打的疫苗,亦為影響產生新的變異株原因之一。圖/Envato Elements

疫情不透明的地方怎麼知道嚴不嚴重

在台灣,中央疫情指揮中心會每天發布感染的人數,並且每隔一段時間就會公布各種病毒株比例,我們可以根據數據和自身狀況調整防疫的強度。

然而有些地方可能因公衛不發達或是刻意掩蓋,使得疫情統計困難,讓外界無法得知疫況。那麼,可以透過什麼方法知道這些地方的疫情狀況呢?

透過英國醫療資訊分析公司 Airfinity 收集數據並以模型推估,中國各省每日確診病例可能會達到 480 萬人的峰值,這瞬間大量的染疫人數會使醫療體系承受極大負擔,這勢必會造成排擠效應,許多原先可治療的患者,可能因醫療資源擁擠或缺乏護理而死亡。

除此之外,我們也可以藉由 PCR 檢測看出端倪。中國開放出入境後,在各地機場的檢疫陽性率約在 10% 到 50% 之間,所以即便持有 48 小時的 PCR 陰性證明,仍有一定比例的人向外輸出病毒,顯示當地疫情嚴峻。

最後,還是反覆呼籲,如何降低感染風險,其實就是我們都知道的——「勤洗手、戴口罩、不摸口鼻」!

防疫小叮嚀。圖/Envato Elements

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