各位同学： 各位老师： 家长朋友们：

大家好！

首先感谢位育中学给予我这个机会和同学们在线上交流。

其次要和同学们说一声，你们辛苦了。最晚的同学从 3 月 14 日离开校园算起， 也有整整 60 天在家学习了。你们想不想回到学校？

同学们的呼声，老师和家长都听到了吧？

希望大家早日重新过上真正的校园生活。 我提议同学们给自己一个响亮的掌声鼓励。

最后，年级长颜老师让我给同学们讲人生发展的规划。我是不敢的。用鲁迅先生 的话来说：“要我自己，是什么也不怕的，生命是我自己的东西，所以我不妨大 步走去，向着我自以为可以走去的路；即使前面是深渊，荆棘，狭谷，火坑，都 由我自己负责。然而向青年说话可就难了，如果盲人瞎马，引入危途，我就该得 谋杀许多人命的罪孽。”我自己的人生才刚刚开始，又怎么敢给青年人讲人生规 划？

我觉得还是尊重孩子吧。孩子应该有权做自己的决定，而无论我的孩子做什么决 定，我都会支持。

颜老师后面鼓励我结合高中生物学习和未来生活、就业的关系展开话题。我觉得 我还是可以和同学们一起研究探讨一番的。所以，我今天就借此机会和位育中学 高二年级的同学探讨生物学习与生活就业。

说到生物，远的不讲，就讲讲当下的疫情。

大家都看到了，也体验到了。疫情来了，我们每个人都会受到影响。那么大家想 过没有，疫情和我们学习的生物学有什么关系呢？

其实，如果有了高中的生物学知识加上合理的逻辑推理，大家都能够对疫情做出 自己的判断。病毒、变异、核酸、抗原、疫苗这些概念大家都学过了，对吧？这 些都是生物学的基本知识，而这些知识对我们的生活也是非常重要的。因为要保 证大家的健康、要对付各种疾病，要预防病毒的传播，都需要生物学知识。所以， 大家学好生物将来会大有可为。

经过这么多年的自身磨练和科学探索，人们已经认识到对付疾病最好的方法就是 预防。对付像新冠这样的传染性较强的疾病，最好的防御方法就是接种疫苗。因 为疫苗高效而且便宜，比得病再治疗的痛苦也少很多，所以大家不要因为得了病 有药吃，就不接种疫苗，那是很错误的。

今天，我就和同学们聊聊新冠疫苗，特别是 mRNA 疫苗的事。

同学们都知道新冠病毒是 RNA 病毒。对吧？

那么，这是什么意思呢？有人知道吗？

这是说新冠病毒的遗传物质是 RNA，它要通过复制 RNA 来复制病毒，在传代的时 候要合成 RNA。大多数病毒的遗传物质都是 RNA。

RNA 是以核苷酸为原料合成的。用来合成 RNA 的核苷酸有 4 种。大家知道是哪 四种吗？腺苷酸，缩写 A；尿苷酸，缩写 U；鸟苷酸，缩写 G；胞苷酸，缩写 C。 A 和 U 配对，G 和 C 配对。

那么，大家知道人类的遗传物质是什么吗？

人类的遗传物质是 DNA，我们熟知的大多数生物的遗传物质都是 DNA。它也是由 四种核苷酸组成的，腺苷酸（A）、胸腺苷酸（T）、鸟苷酸（G）、胞苷酸（C）。 和 RNA 相比，DNA 只是将 RNA 的 U 换成了 T。

有了这四种核苷酸，后面科学家又弄明白了自然界是把 3 个核苷酸组成一个密码子。 大家想想一共有多少个不同的密码子？对的，4 的三次方 64 个。整个 DNA 链条 上就是这些密码子的排列组合。

证明 DNA 是遗传物质的生物学实验非常精彩。大家有兴趣的话可以搜来看看。

那么，mRNA 又是什么东西呢？有没有同学知道？

好的，DNA 作为遗传物质要制造蛋白质。蛋白质是构成生物体的基本物质。这个 过程极其复杂而精细。首先是 DNA 复制，然后是 DNA 转录成 RNA。而 mRNA 就像一个送信的邮差，从 RNA 那里拿到要复制的遗传信息，然后作为翻译模板 去帮助细胞利用核糖体合成蛋白质。当然，这是 DNA、RNA、mRNA 和蛋白质之 间关系的粗略图。里面的细节也有待感兴趣的同学去研究。

和大家一起回忆了一些高中的生物学知识，我感觉生物特别有意思。接下来再 给大家讲个更有意思的事——对新冠疫苗的逆向工程。

这里的新冠疫苗是指 BioNTech（德国）／辉瑞的（美国） mRNA 新冠疫苗 BNT162b。它就是利用 mRNA 作为翻译模板让人体细胞合成带有新冠病毒特点 的刺突蛋白而唤醒人体免疫系统的防御机制形成免疫保护。mRNA 疫苗是生物 和医学的一个巨大进步，它的研制成功是一个对人类产生深远意义的里程碑。 传统灭活疫苗培育、提纯时间长，RNA 疫苗不需要这个过程，而且生产也容易， 所以极大地缩短了疫苗研发时间。对付新冠的 mRNA 疫苗效果非常好。相信 不久的将来，研制 mRNA 疫苗的科学家就会收到诺贝尔奖委员会的电话。

同学们，你们看到了吧。生物学的成就可以是对几十亿人都产生影响的大事。 你们有幸处在一个生物学蓬勃发展的时代。努力吧。

新冠疫苗的逆向工程又是怎么回事？这是一位计算机程序员从计算机科学的角 度对 mRNA 疫苗进行了刨析，非常有意思。我和大家说一说。或许会开始让你 对生命和计算机世界产生奇妙的联系。

我是一个软件相关的从业者，工作也和计算机有联系。计算机和 DNA 相似的 地方就是计算机使用 0 和 1 编码，而生命使用 A、C、G 和 U/T 来编码。

源代码

计算机软件的代码就是一串 0 和 1 组成的数字。而 mRNA 疫苗是液体，它 的源代码应该怎么理解呢？

实际上，疫苗的源代码就是把密码子以链的形式存在 RNA 里。感谢 BioNTech, 世界卫生组织在其网站公布了 BNT162b 的密码子字符序列，共有 4282 个字 符。一针疫苗大概有 2 万亿段重复的代码。

（疫苗代码图）

疫苗源代码解析

就像人们研究计算机程序的源代码一样，有了疫苗的源代码，我们也可以试着 了解它究竟是什么意思，究竟要干什么。同学们，将来你们学到了更多的生物 学知识，你们也可以自己用 DNA 的源代码去解释各种各样的生命现象。

（源代码结构图）

CAP - 头文件

疫苗的代码由

• GA（一个鸟苷酸（G）和一个腺苷酸（A））

开始。这就是 mRNA 的帽子。就像脚本程序里的 #!，虽然它们自己不能执行， 但是它们必须出现在程序的开头。

mRNA 的帽子让疫苗代码受到保护，看起来像是自己人而不会被人体免疫系统 破坏。是不是很奇妙？

未翻译区 5’UTR

同学们，大家都知道 RNA 转化为蛋白质的过程称为翻译。科学家发现 RNA 分子只能从一个方向读取。阅读开始的部分被称为 5’UTR。读数在 3’UTR 停止。UTR（Untranslated Regions) 即非翻译区，是 mRNA 分子两端的非 编码片段：

（图片 UTR）

同学们，你们从图上看到了什么奇怪点没有？很好。正常的 RNA 特征是由 A、C、G 和 U 构成的。但在这里我们看到了 ψ。为什么呢？这就是科学家 经过多年实验和研究得出的结果。疫苗作为外来的 RNA 必须要绕过人体的 免疫系统才能进入工作环境——细胞。怎么办呢？一个方法就是用 ψ 替换 U，这个就能够让免疫系统对疫苗 RNA 失去兴趣。简单而神奇。

这就像计算机病毒，都是要伪装成没有问题的程序或文件才能进入计算机。

有没有同学对 ψ 有疑问？比如，自然界的病毒如果带了 ψ 不就很厉害了？ 很好的问题！科学家早就防了一手，自然界没有制造 ψ 的机制，而 mRNA 疫苗在人体内会迅速降解，ψ 不会被复制。

再回到 5’UTR 这 52 个字符。它的一个功能就是引导核糖体定位，从而能 够根据 RNA 制造蛋白质。

非翻译区之后就是病毒的 RNA 片段了。

（图片制造蛋白质）

sig 信号肽

过了非翻译区 5’UTR，有一个叫做 sig 的信号肽区。这个区决定制造好的蛋 白要去哪里。相当于计算机程序调用后的返回地址。

我们看到信号肽区的 RNA 和病毒的 RNA 是有所不同的，而它们的翻译出的 信号肽与病毒的氨基酸完全一样。大家知道这是怎么回事吗？

前面我们已经知道，密码子有 64 种，而被密码子编码生成氨基酸只有 20 种。根据抽屉原理，这就说明同一个氨基酸有多个密码子编码。这样大家就 理解了为什么疫苗的 RNA 和病毒的 RNA 不同，但是生产的氨基酸相同。

这个不同也是生物学研究的结果，疫苗的 RNA 中用了更多的 G 和 C，这样 的 RNA 能够更有效地转化蛋白质。

真正的刺突蛋白区

疫苗 RNA 再往下的 3777 个字符就是真正的刺突蛋白模板。它和病毒 RNA 相比，也是增加了 G 和 C。道理大家都知道了。

除了增加了 G 和 C，这里面还有两个位置的其他变化——量不大但是非常 精准的变化。这是大家以后学习生物学要学习的高端技术。我只能告诉大 家这两个变化对制造稳定坚固的蛋白质非常重要，也很关键。否则制造出 来的刺突蛋白无法保持正常姿态，也就起不到作为目标靶的作用。

RNA 末端

病毒使用的一个 UAA 作为终止密码子，疫苗使用的是两个 UGA 作为终止 密码子。这个只能推测是打了保险。

神秘的 3’UTR 区

这个区域的功能没那么明确，有待同学们将来去研究。现在的结论是这个 区能够保证 RNA 的稳定性和蛋白表达的总效率。听起来很好。

疫苗的 3’UTR 区是从其他地方提取过来接到这里的。

mRNA 疫苗的最末端

mRNA 的最末端是聚腺苷化的，以「AAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAA」的结尾。 这个和 mRNA 的重复使用次数有关，这个过程中 A 会被消耗掉。一旦 A 消耗殆尽，该 mRNA 就不能再用了。

BNT162b 疫苗最后一共有 100 个 A。

至此，我们就分析了 BioNTech 公开的 BNT162b 疫苗的源代码。 同学们，你们觉得怎么样？生物学是不是很有意思。

快速总结一下，疫苗的 RNA 有

1. 帽子 GA
2. 非翻译区 5’UTR
3. sig 信号肽
4. 刺突蛋白编码区
5. 终止子
6. 3’UTR
7. 神奇的结尾

就是这样一个看似简单的结构就成功地对付了新冠病毒。只要新冠病毒还是 有刺突蛋白这个特点，这个疫苗都会有效。

将来，这就是个模板，只要把别的病毒相应的特征蛋白的编码替换进去，这 个源代码就可以对付其他的病毒。其中的具体细节，还需要同学们去努力。

最后，我要声明一下，我并不以生物学为生。今天讲的内容肯定会有许多错 误和不准确的地方，希望同学们谅解，最好是找来原文资料查看。我对科学 感兴趣，特别是和我们生活相关的科学尤其让我乐此不疲。生物学就是我们 身边的科学，无论你们将来是否以生物科学为职业，学好生物学对我们的生 活都很有意义。

不管是同学们将来有志于生物研究也好，还是从事其他行业也好，学好了高 中生物知识都能帮助你们欣赏生命科学的进步，理解日常健康的要素。

今天，我们还在封闭之中。将来，你们用你们的智慧让我们不再封闭。

谢谢大家。

参考文献 Reverse Engineering the source code of the BioNTech/Pfizer SARS-CoV-2 Vaccine