AI設計精準抗疫蛋白

天然蛋白質包辦了人體中的各種功能。現在科學家運用人工智慧技術設計合成蛋白質，打造新的冠狀病毒疫苗，在生物工程學界掀起革命。

撰文／賈可布森（Rowan Jacobsen）
翻譯／鄧子衿

去年4月某個星期五深夜，華爾斯
（Lexi Walls）獨自待在美國華盛頓大學的實驗室中，焦急地等待自己研究生涯中最重要的實驗結果。她是年輕的結構生物學家，研究主題是冠狀病毒，這三個月來她夜以繼日工作，為的是研發出新疫苗，以對抗這類席捲全世界的病毒。她希望自己的研究成功之後，不只能對抗冠狀病毒，還能在疫苗學界掀起革命浪潮，讓人們得以應付流感以至愛滋病等各種傳染病。華爾斯所研發的疫苗不同以往，並非從天然成份衍生而來，而是先在電腦上設計微小的人工蛋白，再把這些蛋白質組合而成。這種疫苗的誕生，代表了人類在重新設計生物性功能上跨出了非凡的一步。

蛋白質是精巧的奈米機器，彼此持續互動，完成生物體內絕大部份的任務。蛋白質能夠消化食物、對抗入侵者、修復損傷、感覺周圍環境、攜帶訊息、產生力氣、協助思想形成，以及複製。蛋白質由許多稱為胺基酸的簡單分子串接起來、扭轉摺疊成為立體形狀，這是由構成蛋白質的胺基酸種類、數量與排列順序所決定。不同的胺基酸彼此會相吸或相斥，交互作用非常複雜，但是作用的尺度又非常小（平均每個細胞中有4200 萬個蛋白質），以致於我們長久以來都無法釐清長串胺基酸彼此自動扭曲成立體形狀的規則，許多專家甚至認為不可能辦得到。

但是人工智慧（artificial intelligence, AI）領域的突破與見解，揭露了蛋白質的秘密。科學家正在打造能改變世界的生化工具，有了這些工具，就能利用蛋白質建造奈米機器人，一對一去對抗造成傳染病的病原體，或是把訊息傳遍身體各處，也能拆解有毒分子，還可吸收光線。科學家能依照目的，創造出所需的生物特性。

華爾斯身處這個領域的最前緣，她在2019年12月取得博士學位，研究的是冠狀病毒結構，成為當時這個超小眾領域中的一員。她說：「五年來我一直想讓人們相信，冠狀病毒很重要。我在博士學位口試一開始時便說：『我要告訴諸位這類病毒可能造成大流行的原因，而我們將無力面對這種大流行。』結果不幸言中。」
2019 年12月，當中國武漢有神秘新型肺炎的消息傳出後，華爾斯便猜測那是由冠狀病毒引起。去年1月20日，新型冠狀病毒（簡稱新冠病毒）的基因組序列公佈，華爾斯和自己所在華盛頓大學實驗室的主持人、生物化學家韋斯勒（David Veesler）熬夜分析這個基因組。華爾斯說，覺得當時有無比的專注力：「感覺像是：『好，我們知道罪魁禍首了，來解決它吧！』」

人工合成病毒躍升潛力疫苗

新冠病毒一如其他冠狀病毒，長得像是表面插滿棘狀蛋白的球。每根棘的末端都是一群胺基酸，此部位是蛋白質的受體結合區（receptor-binding domain, RBD），具備的形狀和電荷都能夠與人類細胞表面某一種蛋白質完美契合。冠狀病毒就如同太空船，精準與受體對接，接著進入細胞中複製。

RBD扮演著如此危險的角色，成為免疫系統中抗體的頭號目標。抗體也是一種蛋白質，體內細胞製造抗體，與RBD結合，讓RBD失去功能。但是那些特殊的細胞需要花點時間才能夠製造出足夠的有效抗體，在此之前，病毒往往已經造成相當大的破壞。

包括信使RNA（mRNA）疫苗在內的第一代新冠肺炎疫苗保護了許多生命，它們能讓人體只出現病毒的棘蛋白而不是完整的病毒，人體的免疫系統能夠辨認出RBD，然後集結攻擊病毒棘蛋白部隊。但是RBD有時藏在棘蛋白的其他部位中，抗體表面本該與RBD結合的部位就找不到它，無法引起免疫反應。除此之外，自由流動的棘蛋白和天然病毒不同，除非接種高劑量的疫苗，否則不一定會引發強烈的免疫反應。但是增加劑量會使得疫苗成本增加，副作用也跟著增強。

目前的新冠肺炎疫苗雖然成功，但許多專家認為，接種天然蛋白質只是過渡時期的權宜之計。英國製藥巨擘葛蘭素史克（GlaxoSmithKline）的首席科學家兼疫苗發展主任拉普歐里（Rino Rappuoli）說：「顯然光是接種天然或減毒蛋白質是不夠的。」絕大部份的現行疫苗，不論是兒童常接種的，或是成年人接種的流感疫苗，主要成份都是天然蛋白質，疫苗學家稱之為「免疫抗原」（immunogen）。葛蘭素史克開發了很多這類疫苗，拉普歐里說：「我們需要設計出比天然分子效果更強的免疫抗原。」……