病原体相关几何模式（Pathogen-associated Geometric Patterns, PAGP）

165年前，英国博物学家查尔斯·达尔文 （Charles Darwin） 发表了《物种起源》 （On the origin of species） 。达尔文收集并记录了加拉帕戈斯群岛 （Galapagos Islands） 的物种标本，重点研究了雀科鸟类 （Darwin’s finches） ，这些雀科鸟类非常相似，但喙的大小和形状各不相同。达尔文推测：不同种的雀类发展出独特的喙，是因为生存环境不同 （不同的喙有利于吃不同类型的食物） 。这一发现启发了达尔文提出自然选择理论，也是更宏大的进化论的一部分。进化论彻底改变了生物学，为生物的起源和进化提供了全新解释。

近日，Colloids Surf B Biointerfaces杂志发表了题为Pathogen-associated geometric patterns的文章，基于帕累托最优的理论框架，以同源生物结构为典型范例，从宏观尺度（雀科鸟类的喙）到微观尺度（病毒衣壳）阐释自然选择下生物性状的进化。病毒衣壳的结构分析揭示了病原体相关几何模式 （pathogen-associated geometric patterns, PAGP） 及其应用于生物启发的仿生设计。

生物结构在自然界中无处不在，包括生物的形态 （外部） 和解剖 （内部） 结构。受限于适应度 （fitness） 相关因素 （机械稳定性、能量效率和环境适应性） ，生物结构直接受自然选择的影响。根据达尔文提出的进化论，自然选择是进化的驱动力，特别是对于生存和繁殖相关的生物性状。在数百万年的进化历程中，适应度较低的表型被淘汰，而适应度较高的优势表型则被保留。自然选择致使优势表型逐渐进化，最终产生同源生物结构。 (Zheng, 2024)

生物结构、性状空间和帕累托最优

自然选择驱动了生物表型的进化，体现在生物表型针对特定功能的优化，从而实现帕累托最优 （Pareto optimality） 。如图1所示，生物表型在性状空间 （trait space） 中的合集被称为帕累托前沿 （Pareto front） ，描绘了生物表型在自然选择下的最优解。

帕累托最优的概念最初源于工程学和经济学，反映了不同资源分配要求之间的最佳权衡。生物体受限于多个因素 （资源、能量、营养物质等） 以及生物适应度的多方面需求 （生长、生存、繁殖和竞争力等） ，因而生物表型必然存在权衡优化。生物表型需要平衡这些目标，最大限度地提高适应环境的整体能力。

目前，帕累托最优已用于达尔文雀、切叶蚁、蝙蝠和贝壳的形态学研究。 (Tendler et al., 2015) 另外，生物结构还包括解剖结构，即不同细胞类型构成器官组织的空间结构。在单细胞测序和空间转录组学研究中，帕累托最优分析发现了不同细胞类型在特定功能之间的权衡优化，以及这些细胞构成的同源解剖结构。 (Adler et al., 2023)

综上所述，帕累托最优法则提供了生物表型的分析框架，特别是对于复杂表型的趋同进化，推测其功能的权衡优化，进而揭示自然选择如何影响生物进化。

病毒衣壳的趋同进化

本文提出了一个同源生物结构的典型范例：二十面体的病毒衣壳。病毒衣壳是包裹病毒基因组的蛋白质外壳，旨在储存和保护病毒基因组。病毒衣壳需要保持稳定性，以抵抗其内部紧密包装的病毒基因组产生的高内压，这种高内压会在衣壳内部产生机械应力；同时，为了保护病毒基因组的完整性，病毒衣壳还需抵抗其外部的恶劣环境。在西伯利亚永久冻土样本中，一种名为Pithovirus sibericum的史前病毒可以成功复苏并感染变形虫细胞，证明病毒衣壳可以持久保存其封装的基因组长达数万年。 (Legendre et al., 2014)

经过半个多世纪的病毒学研究，发现多数病毒衣壳为二十面体结构。这些二十面体结构可以用三角划分数 （Triangulation number, T值） 进行几何学分析。以T=1的衣壳为例，二十面体包括20个三角形单元，每个三角形单元有3个蛋白亚基，总共60个亚基（图1）。病毒衣壳的T值可以发生改变，这一改变仅通过衣壳蛋白序列的简单点突变即可实现。 (Fiedler et al., 2012) 基于这一机制，改变衣壳结构的进化障碍相对较低。衣壳结构对于病毒适应度具有重要影响，因为它是衣壳结构复杂性和稳定性的关键因素，对于病毒适应外部环境并成功感染宿主至关重要。 (Stone et al., 2019)

本文分析了病毒衣壳结构的性状空间，即衣壳二十面体的大小和几何复杂性 （半径和三角划分数T值） ，发现所有的DNA 病毒都聚集在性状空间中的三角形帕累托前沿之内（图1）。帕累托前沿之外的性状空间为空白，表明这些理论上的表型在自然界中并不存在。这可能是由于自然选择清除了低适应度的表型，那些通过自然选择的表型则继续进化，最终到达帕累托前沿。

并且，RNA病毒与DNA病毒一致地占据了相同的帕累托前沿（图1）。DNA病毒和RNA病毒采用不同的遗传物质，因而在进化上是独立的，其衣壳结构的帕累托前沿的重现并非偶然，提示存在一个共同的进化趋向。不同物种演化出相似的表型，称为趋同进化 （convergent evolution） 。生物性状在自然选择的推动下进化，趋向适应度优化的方向，致使它们在性状空间中的距离逐渐缩小，形成帕累托前沿。

综上所述，病毒衣壳结构是典型的帕累托最优，其帕累托前沿 （图1中的三角形） 的顶点，称为原型 （archetype） 。原型是自然选择产生的极端生物表型。通过在性状空间连接这些原型，划定帕累托前沿的边界，可用于推测生物表型的趋同进化。

病原体相关几何模式 (Pathogen-associated Geometric Patterns, PAGP)

病毒可以感染所有生命形式。病毒不断进化，感染宿主。这促使宿主进化出抵御病毒感染的免疫系统。这个过程造就了病毒与宿主的共同进化：一方的进化对另一方施加了选择压力，进而循环往复。宿主免疫系统可以识别病原体的保守特性，例如病原体相关分子模式 (Pathogen-associated Molecular Patterns,PAMP) 和病原体相关几何模式 (Pathogen-associated Geometric Patterns,PAGP) 。PAMP已被广泛研究，相比之下，PAGP的研究少有报导。PAGP是病原体形状和结构的高度有序和重复几何模式，对于诱导免疫反应同样重要。 (Zheng, 2025)

在适应性免疫反应中，需要几个关键步骤：抗原呈递细胞 (antigen-presenting cell; APC) 对抗原的摄取和呈递，APC激活T细胞，以及B细胞的激活；所有这些步骤都涉及PAGP的作用。例如，APC的抗原摄取依赖于抗原颗粒的适当大小和几何形状。10-500纳米 （nm） 的颗粒大小有利于APC有效地摄取抗原，而20-200 nm的颗粒可以通过淋巴管有效地到达淋巴组织，从而使病原体能够被淋巴系统直接处理。

重要的是，抗原的重复几何结构可以促进B细胞活化，因为病原体的高度重复结构促进了与B细胞受体的交联，从而向B细胞传递更强烈的活化信号。实验发现，在颗粒表面间隔5-10 nm排列60个抗原分子的重复结构 （repetitive structure） 是促进B细胞活化和抗体反应的PAGP。另一方面，抗原的重复几何结构可被IgM抗体通过多价高亲和力结合。紧密结合的抗体-抗原有助于将病原体捕获在淋巴组织中，进而促进了APC介导的T细胞活化。其它免疫系统的重要组分，例如模式识别分子 （胶凝素、纤维胶凝素和五聚蛋白） 通过形成多聚体发挥功能，从而与抗原的重复几何结构产生高亲和力相互作用。

综上所述，PAGP是病原体的适当尺寸大小和重复几何结构。病毒衣壳通常由一个或有限几个蛋白质的亚基 （衣壳粒） 组装而成，从而产生高度有序且重复的PAGP。

帕累托最优与仿生设计

帕累托前沿为自然选择下的生物表型提供了定量解释，划分了约束边界，并有助于解释和改进仿生设计。通过定位仿生设计在表型空间中的位置，判断其与帕累托前沿的距离，辅助改进仿生设计，实现帕累托优化的解决方案（图1）。

帕累托最优提供了一个分析框架，有助于系统地理解和审视复杂生物结构的进化。对病毒衣壳的结构分析表明，病毒产生的蛋白质衣壳大小均匀、几何结构良好、结构稳定性高。这些衣壳结构包含自然选择下的二十面体结构，具有足够的稳定性，可用于生物纳米容器，如病毒样颗粒 (virus-like particles, VLP) 的设计。VLP由病毒衣壳制成，不包含病毒遗传物质。VLP可用于分子运输，并可在其表面展示特定抗原，通过模拟PAGP诱导强烈而持久的免疫反应。例如，相比可溶性抗原或mRNA疫苗，VLP疫苗可诱导高达10-100倍抗体滴度的免疫反应。 (Huang et al., 2024)

因此，本文提出帕累托最优的仿生设计 （Pareto-optimized bio-inspired design） ，根据目标任务的要求和优先级，在首选目标和关键约束之间取得平衡，以期借助自然选择之手，优化生物启发的仿生设计。

总结

1835年，英国博物学家查尔斯·达尔文基于同源生物结构 （雀科鸟类的喙） 的启发，提出了进化论。本文补充了一个同源生物结构在微观尺度的典型范例—二十面体的病毒衣壳，揭示了病原体相关几何模式 （pathogen-associated geometric patterns, PAGP） 及其在帕累托最优理论框架下的仿生设计应用。

原文链接：https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39278143/

制版人：十一

参考文献

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4. Legendre, M., Bartoli, J., Shmakova, L., Jeudy, S., Labadie, K., Adrait, A., Lescot, M., Poirot, O., Bertaux, L., Bruley, C., Coute, Y., Rivkina, E., Abergel, C., Claverie, J.M., 2014. Thirty-thousand-year-old distant relative of giant icosahedral DNA viruses with a pandoravirus morphology.Proc Natl Acad Sci U S A111(11), 4274-4279.

5. Stone, N.P., Demo, G., Agnello, E., Kelch, B.A., 2019. Principles for enhancing virus capsid capacity and stability from a thermophilic virus capsid structure.Nat Commun10(1), 4471.

6. Tendler, A., Mayo, A., Alon, U., 2015. Evolutionary tradeoffs, Pareto optimality and the morphology of ammonite shells.BMC Syst Biol9, 12.

7. Zheng, M., 2024. Homologous biological structures: Design by natural selection and principle of Pareto optimality.The Innovation Life2(2), 100073.

8. Zheng, M., 2025. Pathogen-associated geometric patterns.Colloids Surf B Biointerfaces245, 114239.

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