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守護飛安沒他們不行!認識航空安全檢查員

鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2022/05/30 ・3507字 ・閱讀時間約 7 分鐘

本文由 我的青航時代-2022航發會×暑期航空營 委託,泛科學企劃執行。

你聽過「航空安全檢查員」嗎?他們的工作可能不為一般大眾所知,卻是維護飛航安全中極為重要的一環。航空安全檢查員簡稱「檢查員」,他們的工作種類繁多,且涉及許多專業知識。本篇文章將帶領你認識航空安全檢查員,讓你對飛航安全有更加全面的了解。

《國家民用航空安全計畫》的根基——航空安全檢查員

1992 年,美國聯邦航空總署(FAA)建立國際航空安全評鑑(IASA)計畫,採用國際民用航空組織(ICAO)的飛航標準,定期評鑑其他國家航空產業的主管機關,並將評鑑結果分為二級:第一級為符合 ICAO 之標準,第二級為不符合 ICAO 之標準。

以美國來說,被評為第二級的國家便被列入觀察且受到不能開拓新航線的限制,對航空公司及旅客權益可說是影響深遠。

時至今日,全球有多達 193 個 ICAO 會員國採用這樣的分級評鑑制度,就連國內沒有機場的摩納哥和聖馬利諾,也都加入了守護全球飛安的行列。雖然臺灣不是會員國,但為了遵守國際共識,交通部民航局便依據《國際民用航空公約》(Chicago Convention on International Civil Aviation)第十九號附約〈安全管理〉與 ICAO 第 9859 號文件《安全管理手冊》制定《國家民用航空安全計畫》,並且納入 ICAO 的「關鍵要素(Critical Elements,簡稱 CE)」作為參考。

由上表可見,這八項關鍵要素涵蓋範圍非常全面且廣泛,在法制體系、監理組織、人員證照管理、飛航作業管理、適航管理、失事調查、飛航服務管理,以及航空站管理等層面,都有嚴謹的規定。其中,第四項關鍵要素(CE-4)所指的技術人員,就包括了航空安全檢查員!

檢查員有哪些類型?

什麼,檢查員還有分成不一樣的類型?沒錯!民航局在 1996 年引進美國聯邦航空總署的制度後,依照不同的專業資格,將航空安全檢查員分成五種類型,分別是:隸屬民航局飛航標準組的航務檢查員適航檢查員客艙安全檢查員,以及隸屬民航局空運組的危險物品檢查員航空保安檢查員。為此,泛科學採訪了民航局飛航標準組航務科科長張泰誠,希望能夠完整且清晰地了解航空安全檢查員究竟是何方神聖。

張泰誠科長原先是飛行員,於考取民航局約聘航務檢查員後,又參加考選部 108 年的民航特考才成為正式公務人員。他提到,雖然航務檢查員是公務員的一種,卻不是大學畢業的新鮮人能夠擔任的職位,最主要的原因就是航務檢查員必須是有經驗的駕駛員;除此之外,還得持有機型檢定證,具備七年以上的飛航年資、1500 小時以上的飛航總時間,而且近五年不能有任何失事、重大意外事件或民航局處分紀錄,綜合這些條件,才具備報考航務檢查員的資格。若是曾擔任總機師、航務(副)主管,或是檢定考試官等職務者更好。

民航局飛航標準組航務科張泰誠科長。圖/中華航空事業發展基金會

適航檢查員又分成初始適航後續適航兩種,也就是檢查飛機是否符合各項規定。客艙安全檢查員就是「座艙長」,主要工作是確保客艙與乘客的安全、主持飛行前簡報,以及緊急逃生流程演練。至於危險物品檢查員與航空保安檢查員,平時各司其職,但在調查飛安事件,或是審查引進的新機時,則會聯手執行工作。

張泰誠科長也特別提到航務員這個崗位。他表示,大眾經常將航務員與航務檢查員搞混,但其實航務員隸屬民航局航站管理小組,是標準組的平行單位。他們被稱為「塔臺的眼睛與耳朵」,主要工作是確認跑道狀況,以及應付機場內與跑道上的緊急事故,可說是站在第一線維護機場安全的重要角色!

檢查員有哪些重要的工作?

那麼,航空安全檢查員的工作有哪些呢?上文提及交通部民航局採用 ICAO 的標準制定《國家民用航空安全計畫》,而航空安全檢查員的三大職責,也都是依據 ICAO 的附約制定,這些工作內容可粗略分成檢定給證技術管理,以及一般檢查,介紹如下:

檢定給證著重在人員層面:對於初次通過測試的技術人員,要頒發證照給他們;對於已持有證照的技術人員,則要定期訓練,航空器駕駛員及飛航管制員還必須定期實施體格檢查,確保這些專業人員可以穩定發揮能力,做好份內的工作。若是給證的對象是航空器或飛航模擬機,則有另外的檢驗作業與流程要進行。

技術管理著重在制度層面,不但要訂定飛安政策,還要進行繁瑣的航務查核。查核範圍從製造維修,到訓練機構與航空人員都包括在內——只要與飛安有關,就與檢查員有關

根據張泰誠科長的說明,以引進新機型為例,首先要陳述申請意圖,也就是說明該機型預計飛行的航線、商務艙和經濟艙的數量,以及需要另外申請哪些特殊作業,陳述後才可以正式申請。從引進、訓練、到開放載客,通常要經過一年以上的時間。在這期間,要通過文件審查的關卡,將新機型的手冊規範併入現有的手冊。修訂完成後,就進入驗證階段,分別在地面和空中演練飛安事故發生時的應對措施。以上四階段都通過後,才可進入給證階段,完成新公司成立或是新機引進的作業。

適航檢査則是檢查航空器紀錄及實機,確認航空器符合適航法規後,核發適航證。此外,還得針對航空人員訓練、維護計畫、可靠度計畫、航空器維修等各項作業等進行不定期檢查,確保航空器得到妥善維護。

初始適航驗證是針對新型航空器的認證作業,目的是確認航空器符合各項設計法規的要求。另外,如果航空器進行大修理及大改裝備,也必須通過功能評估與初始適航,才能取得認證。飛航測試則是利用飛測機測試機場及航路上的地面導航設施,是非常重要的例行性工作。每年花費在飛航測試的時間約 300 到 400 小時,是確保飛航安全的關鍵環節。

檢查員需要具備什麼特質?

針對這個問題,張泰誠科長認為最重要的就是對航空產業有熱情。畢竟工作地點就是機場,要是對航空產業沒有熱情,想必很快就會厭倦這份工作。其次,科長也認為這份工作非常要求細心,因為檢查員著重在技術管理層面,經常需要正確且詳細地撰寫檢查記錄與報告,或是依法執行嚴格的檢查程序;也就是說,如果不夠細心,面對大量的文書工作就容易出錯,甚至間接造成飛航安全問題。

想加入守護飛安的行列嗎?歡迎報名 111 年民航特考!今年的民航特考設有飛航管制、飛航諮詢、航空通信、航務管理、飛航檢查、適航檢查等六大科別。其中,與檢查員相關的「飛航檢查」和「適航檢查」共計開設七個名額。

只要你是中華民國國民,符合年齡規定,具有各科別應考資格,就可以參加考試,成為檢查員!相關資訊歡迎參考考試簡介應考須知

補充影片

張泰誠科長的專題演講:跨域飛翔─從機師到飛航檢查員。影/YouTube

本文由 我的青航時代-2022航發會×暑期航空營 委託,泛科學企劃執行。

參考資料


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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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