[個人寫作]關於柏拉圖立體(二)正二十面體與病毒－小蟑螂的土土小窩

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鈥-鎂-鋅十二面體準晶(圖片引自維基共享資源)

作者：嚴融怡

狹義的正多面體又稱為柏拉圖立體(Platonic solid)，不包括星形正多面體(Kepler–Poinsot polyhedron，克卜勒-龐索特多面體)這些後來衍生出來的正多面體，其包括了正四面體、立方體、正八面體、正十二面體和正二十面體。其中正二十面體所隱藏的玄機相當多，進入二十世紀之後，正二十面體對於晶體學的不同領域掀起了波濤駭浪，其中一個重要的方向是針對礦物晶體方面的革命性突破，這是在上一個世紀包括薛契曼(Dan Shechtman)以及史坦哈特(P. J. Steinhardt)等物理學家所揭示的礦物晶體特性，他們發現了一些具有長程次序、無周期性，且具有古典晶體學所不允許的旋轉對稱性像是五重對稱、正二十面體等之礦物，這便是『準晶』(quasicrystal, QC)。而且這些礦物晶體還有不少樣本具有相當悠久的歷史，甚至有機會可以協助人類了解太陽系早期演化的歷史。

另一個重要的方向便是針對蛋白質晶體的研究，蛋白質結晶學是運用單晶X光繞射原理來解析生物巨分子（像是蛋白質、核苷酸、病毒等）三維結構的一種技術。在1950年代和60年代，隨著科學家開始獲取病毒的高分辨率圖像，他們發現了病毒所具備衣殼(Capsid)的詳細結構(由同一蛋白的多個副本組成的外部保護層)，可以保護病毒的遺傳物質。病毒的衣殼結構形態相當多元，從簡單的螺旋形(僅次於正二十面體也經常是病毒所選擇的衣殼蛋白外形，像是流感病毒(Influenza viruses)、炮彈病毒科(Rhabdoviridae)、冠狀病毒科(Coronaviridae)、肺病毒屬(Pneumovirus)等)和正二十面體形到複合型結構(如噬菌體頭部衣殼為二十面體但又具有螺旋形的尾鞘)都有。然而，大多數動物病毒的衣殼為正二十面體(像是諾羅病毒、輪狀病毒、疱疹病毒科等) 或是具有正二十面體對稱的近球形結構(看起來形狀類似20面骰子)。二十面體具有5-3-2對稱，即每個頂點為5重對稱，每個面的中心是3重對稱，每條邊的中心為2重對稱。許多病毒採用這個結構，是因為規則的二十面體是相同殼粒形成封閉空間的一個最優途徑，能夠讓所需的能量最小化。形成二十面體所需的最少的等同的殼粒的數量為12，每個殼粒含有5 個等同的亞基。不過多數病毒不會僅含有60個衣殼蛋白亞基，多數正二十面體形病毒的亞基數量都多於60，為60的倍數，倍數則為3、4、7、9、12或更多。二十面體的對稱性，位於頂點的殼粒周圍有五個殼粒環繞，被稱為penton；而位在三角形面中心的殼粒周圍有六個殼粒環繞，則稱為hexon。
美國EPA檔案資料中的電子顯微鏡下的諾羅病毒(圖中比例尺為50奈米)(圖片引自維基共享資源).jpg

美國EPA檔案資料中的電子顯微鏡下的諾羅病毒(圖中比例尺為50奈米)(圖片引自維基共享資源)

去年(2019)科學家發現病毒在其架構方面的感知方式而言，將需要重新構建工具，因為它們實際上運用比以前理解的更複雜的模式去進行結構化。這些發現可能會對它們的分類方式、形成原因、演化和感染宿主以及確定用於設計針對它們的疫苗方法等策略產生重大影響。衣殼是保護病毒的外殼，隨著科學家發現它們的結構，他們提出了衣殼可以具有不同的大小和容納不同數量的基因組，因此可以感染不同宿主。這點相當重要，因為在設計針對病毒的藥物時，科學家可以考慮其不同的結構形狀以提高功效。而且透過衣殼構造的研究，還能夠改正不少病毒在60年來可能被錯誤分類的位置，像是單純疱疹病毒和茲卡病毒(Zika)。
單純疱疹病毒的電顯照片(圖片引自維基共享資源).jpg

單純疱疹病毒的電顯照片(圖片引自維基共享資源)

過去儘管已經有冷凍電子顯微鏡的結構圖像，但我們對許多不同病毒的結構卻仍然沒有數學描述。去年科學家發現了六種新的蛋白質組成方式，可以形成二十面體衣殼。而許多病毒不僅採用了過去兩種較為人知的方式組成衣殼結構。新發現至少有八種方法可以設計其二十面體衣殼。而且屬於相同結構譜系的病毒基於其所組成的蛋白質，通常會採用一致的方式進行二十面體衣殼的組裝，這些發現也提供了研究病毒演化的新方向。結構生物學家還可以獲取這類資訊來重新分類病毒的結構，這將有助於揭示不同病毒之間的分子和演化關係。並有助於科學家確認各類病毒針對衣殼蛋白質組裝的特定策略。有利於科學家研發抗病毒疫苗的系統化方法。將來科學家或許可以針對病毒衣殼的組裝方式和穩定性，阻止病毒感染宿主細胞時形成新病毒的程序，或者製作有效的抗病毒標靶。

人類甚至還可以將病毒的幾何形狀運用於新式建築物的設計當中(反過來，一些建築物設計的幾何概念也同樣被結構生物學家運用來研究病毒結構)。結構生物學家Donald Caspar和生物物理學家Aaron Klug便引入了幾何框架來進行病毒分類，這些幾何框架的靈感來自著名建築師R. Buckminster Fuller所設計的測地線圓頂。但是，隨著分子成像技術的發展，包括疱疹病毒或Zika病毒在內的3D病毒衣殼重構越來越多，許多已經脫離了這類經典的幾何架構。於是科學家便採用了更為靈活的總體二十面體設計原理來解決病毒學中的結構難題。

在今年(2020)，加州大學河濱分校的物理學家羅亞·贊迪(Roya Zandi)團隊也再次針對病毒的衣殼進行研究，他們認為病毒如何形成對稱衣殼的過程相當重要。或許和病毒如何躲避免疫系統也有一些關聯。因為高度對稱的病毒外殼可以保護病毒的核酸基因組(DNA或RNA)。而對物理學家來說，可以切入的面向包括在這過程當中『分子能量是如何作用的』、『更為詳細了解衣殼(Capsid)分子的組裝過程』以及『了解衣殼對稱構造是如何維持其穩定』等。了解有助於病毒組裝的因素便可以協助健康專家阻止病毒複製，並最終阻止感染。

許多動物病毒體都是球形的二十面體—衣殼上有20個三角形面，但大多數植物病毒的病毒體卻是呈現棒狀。病毒的度量單位是奈米，十億分之一米。而且組裝速度極快，通常在幾毫秒內發生。在組裝過程當中，病毒外殼會形成對稱的圖形，如果這當中有任何一個小部位形成一個缺陷，就會破壞對稱性。雖然研究人員強調，目前由於數據有限，因此對病毒組裝過程的了解並不多。但新研究顯示，病毒衣殼蛋白的彈性特點以及它們相互之間的共同作用，會形成能量穩定且高度對稱的形狀。物理學家透過微調參數，可以控制病毒衣殼的最終結構和穩定性。病毒外殼的各類特點或許正是未來人體藥物研發所必須注意的面向，包括有助於設計干擾或阻礙病毒組裝的藥物等等。雖然在一般的概念當中，物理學家距離防疫的最前線似乎有些遙遠，但其實有不少物理學家正在透過自身所對於物質和能量等基礎的知識在協助病毒特性的研究。Roya Zandi希望她的研究團隊在遏制疾病，包括可怕的冠狀病毒COVID-19方面(註)能夠有一些小小的助益，該項病毒已在全球蔓延，並在兩個月內感染了118,000多個病患、蔓延到100多個國家。並造成全球超過4,200人死於COVID-19(這個數據是截至Roya Zandi今年稍早正在發表研究成果的時期，眼下的疫情已更為嚴重)。它已激起了國際社會對於最易染患該疾病的老年人族群感染影響產生恐慌。

上一集：[個人寫作]關於柏拉圖立體(一)克卜勒的嘗試 https://pedology456.pixnet.net/blog/post/99033337

註：冠狀病毒的核衣殼(nucleocapsid)(N)蛋白與基因組RNA的結合形成了螺旋核衣殼(helical nucleocapsid)，該螺旋衣殼被病毒膜(M)蛋白組成的二十面體結構所包圍 (請參考下面第15篇文獻)。

參考資料與相關延伸閱讀：

1.Paul J. Steinhardt 原著。丁超翻譯。2019。第二種不可能：天然準晶的非凡探索(The Second Kind of Impossible: the eztraordinary quest for a new form of matter) 。商周出版。

2.準晶的發現 ─科技大觀園 https://scitechvista.nat.gov.tw/c/sKPF.htm

3.蛋白質結晶學在臺灣 ─科學月刊 http://scimonth.blogspot.com/2014/11/blog-post_94.html

4.病毒 ─維基百科 https://zh.wikipedia.org/wiki/%E7%97%85%E6%AF%92

5.截角二十面體-維基百科 https://zh.wikipedia.org/wiki/%E6%88%AA%E8%A7%92%E4%BA%8C%E5%8D%81%E9%9D%A2%E9%AB%94

6.冠狀病毒的認識及相關藥物、疫苗的研發 ─CASE 報科學 https://case.ntu.edu.tw/blog/?p=34965

7.富勒烯 -維基百科 https://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%AF%8C%E5%8B%92%E7%83%AF

8.衣殼 -維基百科 https://zh.wikipedia.org/wiki/%E8%A1%A3%E5%A3%B3

9.How a virus forms a protective shell to evade the immune system -NEWS MEDICAL