0

0
0

文字

分享

0
0
0

氣候變遷下的災難須知(五):用實踐切入國際議程 台灣要更積極

陳 慈忻
・2013/03/02 ・2857字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 560 ・八年級

氣候變遷不限於一時一地,而是全球人類共同面臨的問題。在國際發聲上,台灣是否有足夠的機會?在國際參與上,台灣是否能做出超乎期待的貢獻?為此,我們特別採訪了長期關注氣候變遷議題、親身參與過許多國際重要會議的台大政治系助理教授林子倫,請他跟我們談談氣候變遷下台灣該如何透過科技實力與實踐切入國際議程。

近年來,氣候變遷議題下的科學角色產生哪些變化?

科學在環境議題上是兩面刃,一方面是造成氣候變遷的主因,一方面也是目前提出來的解決之道。過去歷史上,冷媒被視為重大發明,使人類能夠保存食物,但直至數十年後,我們才發現臭氧層破洞與冷媒的關聯。全球暖化也是近年來備受討論的問題,直到後來我們才漸漸明白它與跟工業革命的關係。

1980年代國際間成立了跨政府氣候變遷專家小組(簡稱IPCC),運用科學的方法尋找氣候變遷的原因。到目前為止IPCC已經發表了四次評估報告,第四次報告指出「氣候變遷與工業革命有90%的機率是相關的」。事實上,每一次IPCC的報告對國際談判、各國政策會產生重大影響。

儘管在科學界已經漸漸達到共識,科學的爭議在西方世界一直存在。美國的兩黨政治之下,民主黨與共和黨有不同的認知,美國人相信全球暖化與不相信的比例幾乎是平分秋色,然而東亞國家卻有九成以上的人相信,包括台灣。

為什麼我們與西方社會的思考如此不同?有一種說法是我們的科普教育程度高,宗教影響較小,但另一方面,可能是我們太依賴西方主流科學,當國外有主流科學報告出來時,我們很少會去批判、檢視它的正確性,幾乎是全盤接受。

隨著國際公約演進,人類對氣候變遷的認識從無知、未知到漸漸理解

1992年氣候變化綱要公約提倡溫室氣體減量的概念,到1997年京都議定書實際訂定二氧化碳排放的減量標準,我們看到國際公約的演進。但是京都議定書範圍侷限於工業化國家,發展中國家卻沒有納入規範範圍。

我們現在也知道氣候變遷不只是需要碳排放減量,還包含了「災害調適」這個重點,單憑碳排放減量是緩不濟急的。

2007年峇厘島路線圖同時納入「減量」與「調適」兩個面向,考慮了「財務」和「技術」兩個全球治理的重要問題,比起過去只談減碳目標,更實際的討論技術因應的問題。

這是一個很大的突破,儘管發展中國家需要許多技術來應對氣候變遷,但國際間仍然很少實踐技術轉移,即便是已經普遍運用在已開發國家的科技。主要原因是考量到智慧財產權和經濟利益,先進國不見得願意轉移技術給開發中國家。

這兩年聯合國成立科技委員會和國家調適委員會,正式處理科技轉移這個問題,也在南韓成立綠色基金委員會來處理技術轉移所需的資金。台灣一直想要加入國際組織,其實可以從這些委員會著手,透過提出具體技術上的貢獻,再進而要求正式成為會員。

台灣長期國際地位困擾,台灣學者沒有被正式納入IPCC國際社群,難以參與IPCC報告的討論協商,只能接受。學界在此議題上多為單打獨鬥,透過個人的網絡去集結資訊;民間環保團體也會參與國際會議。然而不論是學界、企業界、外交界,台灣在氣候變遷的國際議題參與上都需要整體性的戰略。

面對氣候變遷,地方治理新趨勢

城市做為因應氣候變遷的重要單位,因為它有個別的都市規劃、公部門設施規劃權限,又作為政府接觸民眾的第一線,能夠彈性的因應問題,所以也有人說在氣候變遷因應上,「市長比總統重要」。氣候變遷的地方環境行動國際理事會(ICLEI),這是全球最大的城市聯盟,從2006年有六百多個城市參與,到現在已經有一千兩百多個城市加入,地方治理重要性增加是新的趨勢。

台灣以城市作為參與國際會議的單位,可以稍微避開國家主權上的困擾。最近六、七年來的推動下已經有許多進展,從2006年台灣的地方政府正式參與地方環境行動國際理事會,當時的高雄市、台北縣政府都有加入,到現在已經累積了十個縣市,國際交流對於地方政府的因應知能有許多幫助。

2005年美國西雅圖市長在前總統小布希不願簽京都議定書的情況下,倡議要帶頭以地方政府名義簽訂京都議定書。一般人對美國兩黨政治,可能會有民主黨支持環保、共和黨則相反的印象,但當時以地方名義簽訂國際公約的風氣卻跨黨派,紐約市市長、芝加哥市長、加州州長都是共和黨的成員,但是他們也支持了京都議定書的簽訂。

台灣的政府組織、政策方向應該有哪些改變?

究竟氣候變遷調適的重要任務應該放在政府哪個部門、哪個層級?像是美國將氣候變遷放在總統府的國家安全層級,或者有人提出在行政院成立院長層級的辦公室,畢竟氣候變遷不是單一部會的工作,要能夠協調各部會並進行整體規劃。

實際上,目前氣候變遷主要的工作是由經建會、環保署進行,但是各部會之間並不清楚整體規劃與確切的職權分配。最近行政院底下即將成立環境資源部,規畫氣候變遷司來主掌氣候變遷的問題,但是由於層級相對較低,難以協調其他部會。

氣候變遷還牽涉到能源、產業全面的規劃。今年在巴西里約的高峰會議上當中提到了「綠色經濟」,希望能夠同時解決經濟危機、環境危機以及氣候危機。台灣目前將氣候變遷、能源、產業視為個別獨立的問題,也需要強化全面性的思考。

第三世界國家對於綠色經濟的想法還持有疑慮,擔心綠色經濟將成為已開發國家再次剝削第三世界國家的手段。不過台灣鄰近的幾個國家已經開始推行「綠色新政」,像是南韓、中國大陸都在氣候變遷議題上結合不同的產業進行大量投資。

作為公民社會的一員,我們準備好了嗎?

政府專業角度的防災演練,和民眾現實應變狀況是有一段距離的。

今年六月颱風來時,早上十點宣布停課,可是我們多數人都不清楚怎樣是最好的避難作為,也許暫時留在教室內是當時最安全的做法,但是全部的學生卻必須在宣布放颱風假的時刻離開學校,反而暴露在危險的環境中。

防災手冊指示避難路線、避難處所,但是有些人在災害發生時明明知道避難路線,卻往危險的地方跑,為什麼?試想如果今天你的孩子在學校上課,你會先自己逃生還是去學校找孩子?回歸人性,防災訓練應該要有家庭、小團體的考量,讓我們知道通訊中斷的時候,哪裡是緊急連絡的地點。

相對於核災、地震,氣候變遷造成的災難給了我們相對長的時間來因應,像是颱風可能在幾天前就會發布警報,但是我們現在還停留到紙上作業和規劃階段,現實中民眾究竟該如何應變?對氣候變遷的認知、實際的防災教育都還有待落實。

(本文原發表於行政院國家科學委員會-科技大觀園「科技新知」。歡迎大家到科技大觀園的網站看更多精彩又紮實的科學資訊,也有臉書喔!)

延伸學習:林子倫(民97),台灣氣候變遷政策之論述分析,公共行政學報,28,p.153-175。

數感宇宙探索課程,現正募資中!

文章難易度
陳 慈忻
55 篇文章 ・ 0 位粉絲
在丹麥的博士生,專長是用機器學習探索人類生活空間,正在研究都市環境變遷與人類健康的關係。曾擔任防災科普小組編輯、社會創新電子報主編。


0

2
4

文字

分享

0
2
4

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。


數感宇宙探索課程,現正募資中!

文章難易度
研之有物│中央研究院_96
20 篇文章 ・ 8 位粉絲
研之有物,取諧音自「言之有物」,出處為《周易·家人》:「君子以言有物而行有恆」。探索具體研究案例、直擊研究員生活,成為串聯您與中研院的橋梁,通往博大精深的知識世界。 網頁:研之有物 臉書:研之有物@Facebook