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IRHOCS 2014國際機器人實作競賽

馥林文化_96
・2015/04/07 ・6126字 ・閱讀時間約 12 分鐘 ・SR值 593 ・九年級

採訪、攝影/趙珩宇、張芳瑜.協助取材/臺灣玉山機器人協會

由教育部及國際電機電子工程師協會IEEE 指導,國立臺灣大學智慧機器人及自動化國際研究中心所主辦的第六屆IRHOCS 國際機器人實作競賽,在2014 年底於松山文創園區壓軸登場。

IRHOCS 為國內最具指標性的機器人大賽之一,著重於人機互動的重要性。本次競賽共分為「機器人保齡球賽」、今年新增設的「機器手臂車」,以及難度最高的「機器人籃球賽」三個項目,現場戰況激烈、毫無冷場,以下將針對各項賽事進行進一步報導,還原精彩現場。

機器人籃球賽!國際團隊相互較勁

文章一內文圖片-1
圖1 參賽隊伍合照。

本屆籃球機器人賽參賽隊伍來自世界各地,除了臺灣的強勁代表臺灣大學、國立交通大學、臺灣科技大學等隊伍外, 還有來自中國的上海大學、廈門大學,以及來自日本的神奈川工科大學(Kanagawa Institute of Technology)等14 支隊伍同場較勁,讓本屆機器人籃球賽從預賽到決賽,場場都讓人驚奇不斷。

機器人籃球賽由於參賽組數眾多,賽事共分為上午場與下午場,上午場共分為4 組競賽,各組競賽分別為3到4 支隊伍參加,透過激烈的比賽後遴選出8 組參加下午場的四強爭奪賽以及四強決賽,每次競賽分為六個回合,將難度由淺至深漸漸增加,考驗著挑戰隊伍在機構與程式上的設計巧思。

人機協調與機器人性能雙向並進

第一、二回合為最基礎的任務,參賽機器人需於比賽開始後自主的從場邊移動至跳球區,並在跳球區內持球後於中央區內(大會規範之區域)將球拋給三分線內的參賽者,再由參賽者進球得分。跳球區內共有兩顆籃球,因此機器人可於時間內再尋找第二顆球拋給參賽者,以獲得第二次的得分。

在本回合競賽中,除了考驗機器人的機構與程式,也測試著參賽者的體能與投籃技巧, 以及人機間的協調性,是項德智體兼具的活動。第三與第四回合則增設了固定式障礙物,而參賽者則只能於禁區內移動,參賽機器人需從中場的邊線出發進入籃球場內,繞過層層的障礙物後拾取在三分線底線之籃球,並將球傳給在禁區內的參賽者進行投籃;第四回合則較第三回合增加了兩個障礙物,同樣須先於跳球區拾時取色球並傳給參賽者後,才能繼續尋找另一顆籃球。

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第一回合中,機器人將球拋給三分線上的參賽者(圖為上海交通大學隊伍)。

第五和第六回合是各家機器人展現出自己看家本領的精采競賽。在本兩回合中參賽機器人須於中場邊線出發,自行找到禁區中的球後再持球出發至合適的位置「自行投籃」(位置需在籃框2.5 公尺外),籃框則依高度分為正常籃球架與小型籃球架,分數也有所不同。第五回合的競賽除了考驗機器人的定位與瞄準外,也須針對不同重量之物體進行不同力道的發射,困難度較之前的競賽提升了不少。而第六回合的競賽則是籃球機器人競賽中最讓大家期待的一場競賽。在最後一回合中,跳球區的中間擋板將會被拿開,參賽機器人在投完自己跳球區中的球後則可去搶奪別隊跳球區的球進行投籃,因此除了考驗機器人投籃的準確度外,機器人移動與定位速度也是機器人間較勁的關鍵。

4-1
第六回合中,廈門大學隊伍的機器人出現跨區 搶奪籃球的情況。
搶奪球後,機器人成功投籃。
搶奪球後,機器人成功投籃。

上午的初賽最後由臺灣大學、國立交通大學、上海交通大學、銘傳大學、中興大學、彰化師範大學、廈門大學以及臺灣科技大學晉級八強賽。

名次大洗牌!上海交大首奪冠軍

在許多機器人賽事中,在長時間的挑戰與些許時間提供挑戰者進行維修的壓力下,機器人的穩定性以及機構的耐久度往往是成就勝敗的主要關鍵。在下午的四強爭奪賽中,許多隊伍的機器人出現了不少狀況,本屆賽事最後由上海交通大學獲得第一名,國立交通大學、臺灣大學與廈門大學則分別獲得二至四名。

在本屆得獎隊伍中,大多數參賽隊伍表示:廈門大學的機器人著實帶給他們不少的壓力。廈門大學去年也參加了機器人籃球競賽,當時即以空氣砲的方式成功得到第三名,並成為全場新亮點。在本屆比賽中,除了維持空氣砲的優勢設計外,更在結構上做了不同的修正,除了持球後將籃球收至車體內以進行快速的移動外,在車輪的選擇上則使用了三輪的全向輪以進行全方位的移動,並使用從動輪與陀螺儀的搭配,在比賽前即能對場地進行相對應的座標定位,因此比賽時能迅速到達目的地。在空氣砲的設定上也有諸多巧思,他們汲取了去年因為氣瓶容量較小而得不停更換集氣瓶
的經驗,將集氣瓶從3 個增加到6 個,因此在賽前即能儲備足夠的空氣量。

廈門大學裝設6 支氣瓶以增加儲備氣壓並控制 發射壓力值;在移動方面則使用全向輪增加移 動速度。
廈門大學裝設6 支氣瓶以增加儲備氣壓並控制發射壓力值;在移動方面則使用全向輪增加移動速度。

在第五回合的投籃賽中,他們則透過程式設定,在投完籃球後將氣瓶壓力的釋放到適合排球發射的氣壓值,完美配合現場狀況。但在四強決賽開始前卻出現持球裝置的馬達故障的情形,雖然在比賽期間該隊不停的進行維修,但在第六回合時故障問題還是無法修復,因此只獲得第四名的成績,令人相當惋惜。

機器人籃球賽的常勝軍──臺灣大學隊伍,今年重新設計並修正了先前使用的車體結構及程式,並微調將自創的飛輪發射器,把用於發射的車輪換成可以充氣的車輪,藉此提升其發射效率。本屆賽事中雖然也出現其他使用相同設計的隊伍,但還是無法達到如創始者臺大隊一樣高的發射成績。在位置的判讀上則透過Kinect 進行空間的視覺定位,藉此找尋籃框以及籃球的位置。但在四強決賽中,由於程式在第二回合開始時出現狀況,因此意外只獲得第三名的成績,這也是臺大這幾年來首度落馬。他們表示在明年的賽事中將再次修正移動與定位方式,期望明年能扳回一成。

臺灣大學隊伍的機器透過飛輪將籃球射出, 並透過Kinect 進行籃框搜尋及定位。
臺灣大學隊伍的機器人透過飛輪將籃球射出,並透過Kinect 進行籃框搜尋及定位。
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臺灣大學參賽隊伍成員與機器人合照。

 優異的機械穩定性為致勝關鍵

本屆第一名和第二名分別由上海交通大學以及國立交通大學獲得,兩組隊伍在機構設計上截然不同。上海交通大學使用電磁砲,國立交通大學的隊伍則使用傳統投石機的方式進行投擲。今年國立交通大學的參賽成員是首次來參加比賽,學弟們延續學長們所設計的機構,並修正程式。今年同樣透過Kinect 進行投籃瞄準,並使用視訊搭配雷射測距的方式進行微調以精確取球。在這些設計中,國立交通大學隊伍最自豪之處在於他們的「動態壁障系統」,雖然大會在比賽前將移動障礙物的項目取消,但未來還是期待這套雷射避障系統能有發揮的機會。

雖然獲得第二名的良好佳績,但他們仍不因此而自滿,未來會針對機器人的程式傳輸方式上進行修正,將現在透過Wi-Fi 操作的方式改為直接將電腦安置在機器人上,藉此減少程式傳輸時所消耗的時間;在投擲方式上也會進行調整,以投到標準籃框為目標努力。

國立交通大學的機器人使用如投石機的機構進行投擲,前方有視訊鏡頭與雷射用以尋找籃球。
國立交通大學的機器人使用如投石機的機構進行投擲,前方有視訊鏡頭與雷射用以尋找籃球。
四強賽時交大機器人對上臺大機器人的情形。
四強賽時交大機器人對上臺大機器人的情形。

上海交通大學的機器人花了一年的時間進行設計與調整,在發射裝置上使用電磁砲的方式,透過電磁鐵將籃球撞出;在移動上則同樣使用雷達進行感測,並以優異的機械穩定性獲得本屆機器人籃球賽的冠軍。雖然終於成功拿下冠軍,但參賽隊員也表示還有不足之處。由於採用電磁砲的方式進行發射,如要投至標準籃框則會因電壓的不足而無法達成,下次參加比賽時會進行發射器的修正與改造;在感測器與程式設定的部分,也期望能更進一步,在比賽前不需要帶領機器人跑過路線即能自行判讀並進行找球與投球的動作,讓機器人的自主性更上一層樓。

上海交通大學的機器人採用電磁砲的方式發射籃球,每次競賽前的準備時間皆須引導機器人進行路徑辨識。
上海交通大學的機器人採用電磁砲的方式發射籃球,每次競賽前的準備時間皆須引導機器人進行路徑辨識。
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冠軍隊伍上海交通大學參賽成員與機器人合照。

本屆IRHOCS 機器人競賽雖然沒有開放給一般民眾參觀,可見度不若之前來得高;但在比賽活動期間,各隊伍透過每階段的比試、觀察與交流,對於機器人的調校與設定都有不同的啟發與感想。相信在未來,IRHOCS機器人籃球賽還會有更高水準的表現驚豔全場。

機器人保齡球賽!虎尾科大摘下雙料冠軍

今年的機器人保齡球賽吸引了國內外逾50 支參賽隊伍共襄盛舉,場上各式機器人爭奇鬥艷,在外觀造型、運作形式與機構設計上各有特色。由於保齡球賽隊伍數眾多、競爭激烈,會場內瀰漫著緊張氣氛,各隊人馬無不摩拳擦掌,把握每次短暫的準備時間,將機器人調整到最佳狀態,力求擊出亮眼成績;而機器人的精采表現也不負眾望,在競賽過程屢屢讓現場驚呼四起。激戰過後終由來自國立虎尾科技大學的「E.A.C」及「N.P.N.G」兩隊雙雙奪下NXT 與KNR 系列控制平臺組的冠軍寶座。

機器人保齡球競賽以順利擊倒球瓶為目標,競賽流程計有初賽兩回合(每回合三局)、決賽一回合(五局)。每回合結束後,依競賽成績決定下一回合入圍隊伍,初賽以兩回合最佳成績較高者為勝,決賽部分以成績較高者為勝。

今年的賽事有兩項重大變革:其一為採用更接近真實比例的保齡球競賽場地,將淨空區增長為3 公尺多,並使用白色雙紅線的木製迷你保齡球瓶;其二則是在決賽的四、五兩局設置三支「障礙球瓶」做為創意挑戰,挑戰局單局結束時,每支倒下的障礙球瓶會扣5 分,直到該局零分為止。每局中, 機器人必須自主完成取球、投球、再取球、再投球的動作,除非第一球全倒,否則有兩次投球機會, 而機器人每次僅能取走一顆球,各回合的最後一局若擊出全倒或補全倒,則有投第三球的機會。擊倒球瓶的分數計算方式同一般保齡球規則,除此之外, 機器人是否能成功取球、投球,並在完成動作後歸位,也列入計分範圍,可說是對機器人自主性的大挑戰。

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不同於去年使用鋁罐,今年採用接近真實比例的迷你保齡球瓶。

增設障礙瓶,提升比賽可看性

經過一番激烈競爭, 前16 強隊伍分為四組晉級決賽,三局正常局加上兩局創意挑戰的最後一戰,可說球球都是關鍵。選手們各個全神貫注,深怕稍有不慎就與獎項擦身而過。精彩賽事由A 組的「N.P.N.G」拉開序幕,率先擊出Strike(全倒),C組的「E.A.C」隨後也擲出Strike 還以顏色。機器人蓄勢待發的「轟隆隆」加速聲,與「喀啦喀啦」的齒輪運轉聲不絕於耳,選手們緊張的神情全寫在臉上, 觀眾們更是看得屏氣凝神。「咻」一聲,只見保齡球衝向球道,完美地擊倒所有球瓶,引起滿堂喝彩。

「E.A.C」漂亮擊出Strike(全倒)。
「E.A.C」漂亮擊出Strike(全倒)。

創意挑戰局的部分,因為在目標球瓶前增設了三支障礙球瓶,大大提升了擊球的困難度,如何擊倒最多目標球瓶,同時避免撞倒障礙瓶,著實考驗參賽者的創意應戰策略。只見各隊紛紛使出渾身解數,有些挑戰斜向擲球,越過障礙打擊目標;有些考量機器人的穩定性,選擇靠球道側邊投球,捨棄部分球瓶,僅以角落位置為目標,大家各憑本事。有些隊伍擔心誤觸障礙瓶被一再扣分,只求順利發射不產生任何碰撞,還會不小心發生向後發球的情形,替比賽現場增添了一絲趣味性。

創意挑戰局中,「E.A.C」驚險越過障礙瓶側緣,順利擊中目標球瓶。
創意挑戰局中,「E.A.C」驚險越過障礙瓶側緣,順利擊中目標球瓶。
「雲科打擊隊」從角落發射,避免觸及障礙瓶。
「雲科打擊隊」從角落發射,避免觸及障礙瓶。

取球難度高,精準穩定為關鍵

這次競賽中,兩回合初賽抽籤決定出的置球位置皆在相鄰球座上,許多隊伍因為精準度與穩定性不足,導致取球階段頻頻失誤,幾乎無法順利出擊。由此可知,想要脫穎而出,除了精湛的投球技術,取球技巧也是致勝關鍵。

在NXT 系列平臺拔得頭籌的「E.A.C」隊員黃志豪表示,當初團隊在設計機器人時,就決定無論如何都要拿到取球和回位的基本分,並且為了降低受場地影響程度,特別設計了通吃式取球機構,透過齒輪比加強發射力道來提升擊球的精準度。

其他獲獎隊伍亦各自展現令人驚豔的設計巧思, KNR 平臺冠亞軍「N.P.N.G」及「A.V.R」兩隊, 同樣採用「球座通吃,只取一球」的策略,不僅不必判斷保齡球擺放的位置,還因為不需使用感測器,完全避免掉判讀出錯的風險。

來自亞東技術學院的「春風麥香隊」, 則藉由框架結構配合感測器取球;另外也有隊伍以機械手臂掃入或抓取的方式,來達成精準取球的目的,現場可說是各種取球機構的大觀園,令人驚嘆連連。

取球機構

相互切磋,選手滿載而歸

從現場相機快門聲此起彼落的情況看來,保齡球機器人競賽的吸睛程度可想而知。在令人目不轉睛的決賽過後, NXT 平臺組冠軍由「E.A.C」奪下,亞、季軍則分別由「春風麥香隊」及「雲科打擊隊」取得;KNR 平臺組的冠軍則由一路領先的「N.P.N.G」拿下,緊追在後的「A.V.R」居次,季軍的殊榮則由「快樂_ 擊倒」獲得。

談到參與競賽的收穫,初賽表現亮眼的「幸運草」隊隊員施昶宏強調,這次使用電子羅盤定位,容易受到干擾,擊球的準確性有點靠運氣,看到部分隊伍穩定的設計,會考慮學習並改良; 備受矚目的「N.P.N.G」隊隊
員黃建祥亦指出,看了其他隊伍的精采表現,想再改良夾取方式,林煒翔補充, 許多機構設計讓人印象深刻,團隊的抗壓性也在競賽過程中提升;表現不俗的「A.V.R」隊隊員王若庭則表示,在極短的時間內找到造成運作失常的原因並調整修正,累積應變實力是最寶貴的經驗。

機器手臂車!考驗機器人環境適應力

今年IRHOCS 新增了「機器手臂車」項目,希望透過四大主軸:循軌移動、無軌移動、物件搬移和影像辨識,逐步引導參賽者整合影像辨識與移動平臺,設計出智慧與創意兼具的機械手臂,以期未來能應用於產業界。

由於競賽題目難度偏高,加上場地相當考驗機器人的環境適應力,多隊選手皆表示表現不如預期。「高雄二隊」隊員坦言這次準備不夠充分,現有的技術尚無法完全達成競賽任務,主要靠簡潔的機構設計降低出錯率取勝,也期望藉由這次參賽經驗,明年能有更好的表現。

本屆賽事冠軍為「高雄二隊」( 高苑科技大學)、亞軍為「自主倉儲移動機器人」(國立臺灣科技大學)、季軍為「信手拈來」(國立臺灣師範大學),四、五名則由「請你吃西堤」(成功大學)及「ISL 1 隊」(國立雲林科技大
學)獲得。

「高雄二隊」的機構設計相當簡潔。
「高雄二隊」的機構設計相當簡潔。
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「高雄二隊」的比賽情形。

競賽網址
http://www.iceira.ntu.edu.tw/irhocs2014

文章原文刊載於《ROBOCON》國際中文版2015/3月號

 

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馥林文化是由泰電電業股份有限公司於2002年成立的出版部門,有鑒於21世紀將是數位、科技、人文融合互動的世代,馥林亦出版科技機械類雜誌及相關書籍。馥林文化出版書籍http://www.fullon.com.tw/


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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。

 

研之有物│中央研究院_96
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