设计蛋白：未来疫苗的起点

如图中的3D模型所示，新型新冠疫苗中含有一种合成的蛋白纳米颗粒，可以产生更强大的免疫保护。 （蒂莫西·阿奇博尔德(Timothy Archibald)/图）

2020年4月一个星期五的深夜，莱克西·沃尔斯（Lexi Walls）独自一人在华盛顿大学的实验室里，紧张地等待着她一生中最重要的实验结果。作为一名年轻的结构生物学家，沃尔斯专门研究冠状病毒。她在此前的3个月里夜以继日地工作，试图研制出一种新型新冠病毒疫苗。沃尔斯正在研制的疫苗与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，而是由计算机构建的人造微蛋白组成。该类型疫苗的诞生标志着我们在生物学上进行再设计的能力获得了新的突破。

你可以将蛋白质看作复杂的“纳米机器”，它们通过与其他蛋白质不断地相互作用来执行生物的大多数任务，包括消化食物、抵抗入侵者、修复损伤、感知环境、传递信号、增强力量和创造思维等。蛋白质由氨基酸分子组成，它们会扭曲变形并折叠成极其复杂的3D结构。蛋白质这种折纸样形状由不同氨基酸的排列顺序和数量决定，这些氨基酸之间存在着不同的吸引力和排斥力。这些相互作用的复杂性之高以及作用范围之小（平均每个细胞中包含4200万个蛋白质），使得我们无法了解它们如何自发、可靠地从氨基酸序列转变成功能性蛋白。许多专家认为我们永远也无法弄清楚其中的规则。

但是，人工智能领域的新见解和新突破正在助力揭示蛋白质背后的秘密。科学家正在打造可以改变世界的生化工具。有了这些工具，我们可以利用蛋白质来构建纳米机器人，这些机器人可以与病原体进行战斗，或是向全身发送信号，或是分解毒性分子，或是捕获光线。总之，我们可以实现各种生物学的目标。

沃尔斯一直站在该研究方向的前沿。她于2019年10月完成了关于冠状病毒结构研究的博士论文，在当时，很少有人关注这个方向的研究。她说：“过去5年来，我一直试图说服其他人，对冠状病毒的研究很重要。在进行博士学位答辩时，我首先说的就是：‘我要告诉你们为什么这个病毒家族可能引起大流行，而我们还没有做好应对这种大流行的准备。’不幸的是，这最终成为了现实。”

2019年12月下旬，当武汉报道了一种新型肺炎时，沃尔斯就怀疑这是由冠状病毒引发的。2020年1月10日，新冠病毒（SARS-CoV-2）的基因序列向全世界公布，沃尔斯同她在华盛顿大学的导师，生物化学家戴维·维斯勒（David Veesler）熬夜分析了该基因序列。沃尔斯说她当时有一种强烈的直觉：“就像是，‘好吧，我们知道该怎么做，我们去做吧。’”

跟其他的冠状病毒一样，新冠病毒看起来像一个覆盖着刺突蛋白（spike protein）的球。每个刺突的末端都是一簇氨基酸，这一簇氨基酸被称为受体结合域（RBD），其排列和原子电荷能与人类细胞表面的受体蛋白完美配对。病毒的蛋白就像空间站对接一样，与细胞表面受体对接，而病毒就是利用这种连接方式进入细胞内部并进行复制。

由于RBD在病毒感染中起着关键作用，它成为了免疫系统中抗体攻击的主要目标，这些特异性抗体能与RBD结合并使其失效。但是，免疫细胞需要经过一段时间才能产生足量的有效抗体，而那时病毒通常已经对人体造成了一定的损害。

第一代新冠疫苗包括了已经投入使用的mRNA疫苗，该疫苗通过让体内表达病毒的刺突蛋白而发挥作用。不过此时刺突蛋白并没有与新冠病毒相连，免疫系统可以通过识别这些额外的刺突蛋白的RBD来制造抗体部队。但是，RBD会被刺突蛋白的其他部分