設計蛋白：未來疫苗的起點

如圖中的3D模型所示，新型新冠疫苗中含有一種合成的蛋白納米顆粒，可以產生更強大的免疫保護。 （蒂莫西·阿奇博爾德(Timothy Archibald)/圖）

2020年4月一個星期五的深夜，萊克西·沃爾斯（Lexi Walls）獨自一人在華盛頓大學的實驗室里，緊張地等待著她一生中最重要的實驗結果。作為一名年輕的結構生物學家，沃爾斯專門研究冠狀病毒。她在此前的3個月里夜以繼日地工作，試圖研制出一種新型新冠病毒疫苗。沃爾斯正在研制的疫苗與之前所使用的任何疫苗都不同，它的有效成分并非源自自然界，而是由計算機構建的人造微蛋白組成。該類型疫苗的誕生標志著我們在生物學上進行再設計的能力獲得了新的突破。

你可以將蛋白質看作復雜的“納米機器”，它們通過與其他蛋白質不斷地相互作用來執行生物的大多數任務，包括消化食物、抵抗入侵者、修復損傷、感知環境、傳遞信號、增強力量和創造思維等。蛋白質由氨基酸分子組成，它們會扭曲變形并折疊成極其復雜的3D結構。蛋白質這種折紙樣形狀由不同氨基酸的排列順序和數量決定，這些氨基酸之間存在著不同的吸引力和排斥力。這些相互作用的復雜性之高以及作用范圍之?。ㄆ骄總€細胞中包含4200萬個蛋白質），使得我們無法了解它們如何自發、可靠地從氨基酸序列轉變成功能性蛋白。許多專家認為我們永遠也無法弄清楚其中的規則。

但是，人工智能領域的新見解和新突破正在助力揭示蛋白質背后的秘密?？茖W家正在打造可以改變世界的生化工具。有了這些工具，我們可以利用蛋白質來構建納米機器人，這些機器人可以與病原體進行戰斗，或是向全身發送信號，或是分解毒性分子，或是捕獲光線?？傊?，我們可以實現各種生物學的目標。

沃爾斯一直站在該研究方向的前沿。她于2019年10月完成了關于冠狀病毒結構研究的博士論文，在當時，很少有人關注這個方向的研究。她說：“過去5年來，我一直試圖說服其他人，對冠狀病毒的研究很重要。在進行博士學位答辯時，我首先說的就是：‘我要告訴你們為什么這個病毒家族可能引起大流行，而我們還沒有做好應對這種大流行的準備?！恍业氖?，這最終成為了現實?！?/p>

2019年12月下旬，當武漢報道了一種新型肺炎時，沃爾斯就懷疑這是由冠狀病毒引發的。2020年1月10日，新冠病毒（SARS-CoV-2）的基因序列向全世界公布，沃爾斯同她在華盛頓大學的導師，生物化學家戴維·維斯勒（David Veesler）熬夜分析了該基因序列。沃爾斯說她當時有一種強烈的直覺：“就像是，‘好吧，我們知道該怎么做，我們去做吧?！?/p>

跟其他的冠狀病毒一樣，新冠病毒看起來像一個覆蓋著刺突蛋白（spike protein）的球。每個刺突的末端都是一簇氨基酸，這一簇氨基酸被稱為受體結合域（RBD），其排列和原子電荷能與人類細胞表面的受體蛋白完美配對。病毒的蛋白就像空間站對接一樣，與細胞表面受體對接，而病毒就是利用這種連接方式進入細胞內部并進行復制。

由于RBD在病毒感染中起著關鍵作用，它成為了免疫系統中抗體攻擊的主要目標，這些特異性抗體能與RBD結合并使其失效。但是，免疫細胞需要經過一段時間才能產生足量的有效抗體，而那時病毒通常已經對人體造成了一定的損害。

第一代新冠疫苗包括了已經投入使用的mRNA疫苗，該疫苗通過讓體內表達病毒的刺突蛋白而發揮作用。不過此時刺突蛋白并沒有與新冠病毒相連，免疫系統可以通過識別這些額外的刺突蛋白的RBD來制造抗體部隊。但是，RBD會被刺突蛋白的其他部分