作者艾伦·杜布罗，德克萨斯大学奥斯汀分校 SARS-CoV-2 S蛋白与宿主细胞膜ACE2受体结合的原子模型
学分:加州大学伯克利分校；伊斯坦布尔技术大学 对我们生活造成严重破坏的病毒是一种高效的传染机器
SARS-CoV-2仅由29种蛋白质组成(相比之下，我们有40万种蛋白质)，基因组只有我们的1/20万，它是经过专业进化的，能够诱使我们的细胞贡献其机制来帮助其繁殖
在过去的几个月里，科学家们对这种无脑敌人的机制了解了很多
但是与我们所不知道的相比，我们所学的仍然相形见绌
科学家发现病毒的工作方式有多种
加州大学柏克莱分校的物理学和分子细胞生物学副教授艾哈迈德·伊尔迪兹说，只有同时使用这些方法，我们才能发现并利用冠状病毒的弱点
伊斯坦堡技术大学的伊尔迪兹和他的合作者梅尔特·古尔正在将超级计算机驱动的分子动力学模拟与单分子实验相结合，以揭开病毒的秘密
特别是，他们正在研究它的尖峰蛋白，这是病毒与人类细胞结合的一部分，并开始将病毒核糖核酸插入细胞的过程
“许多组织正在攻击这个过程的不同阶段，”古尔说
“我们最初的目标是使用分子动力学模拟来识别病毒与宿主细胞结合时发生的过程
" 伊尔迪兹说，有三个关键阶段允许尖峰蛋白进入细胞并开始复制
首先，尖峰蛋白需要从封闭构型转变为开放构型
其次，尖峰蛋白与细胞外的受体结合
这种结合触发了尖峰蛋白内的构象变化，并允许另一种人蛋白切割尖峰
最后，新暴露的棘突表面与宿主细胞膜相互作用，使病毒核糖核酸进入并劫持细胞
二月初，电子显微镜图像揭示了穗状蛋白的结构
但是这些快照只显示了蛋白质的主要结构，而不是中间的过渡结构
“我们只看到稳定构象的快照，”伊尔迪兹说
“因为我们不知道蛋白质从一种稳定构象转变为另一种稳定构象的时间，我们还不知道那些中间构象
" 这就是计算机建模的用处
显微镜图像为创建蛋白质中每个原子及其环境(水、离子和细胞受体)的模型提供了一个有用的起点
在那里，伊尔迪兹和古尔启动了蛋白质，观察发生了什么
“我们表明，S蛋白在与宿主细胞膜上的受体蛋白对接之前，会经历一个中间状态，”古尔说
这种中间状态可用于药物靶向，以防止S蛋白引发病毒感染
" 尽管世界各地的许多其他组织正在探索病毒的结合口袋，希望找到一种能阻止病毒进入人体细胞的药物，但伊尔迪兹和古尔采取了一种更微妙的方法
“尖峰蛋白通过一个复杂的相互作用网络与其受体紧密结合，”伊尔迪兹解释道
“我们表明，如果你只是破坏其中的一个交互，你仍然无法停止绑定
这就是为什么一些基础药物开发研究可能不会产生预期的结果
" 但是，如果有可能防止尖峰蛋白从封闭状态变成开放状态——或者第三种，我们甚至不知道的中间状态变成开放状态——这可能有助于治疗
找到并打破重要的纽带 伊尔迪兹和古尔对计算机模拟的第二次使用不仅确定了新的状态，还确定了稳定每个状态的特定氨基酸
“如果我们能够确定单个氨基酸水平上的重要联系——哪些相互作用是稳定的，对这些确认是至关重要的——那么用小分子来定位这些状态可能是可能的，”伊尔迪兹说
在原子或单个氨基酸的水平上模拟这种行为是难以置信的计算密集型
伊尔迪兹和古尔获准在德克萨斯高级计算中心(TACC)的踩踏2超级计算机上运行
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大学和第19快的整体-通过新冠肺炎高性能计算联盟
在超级计算机上模拟一微秒的病毒及其与人类细胞的相互作用——总共大约一百万个原子——需要几周的时间
没有一个需要很多年
“这是一个计算要求很高的过程，”伊尔迪兹说
“但这种方法的预测能力非常强大
" 伊尔迪兹和古尔团队，以及大约40个其他研究新冠肺炎的研究小组，已经被优先考虑进入TACC系统
“我们不受模拟发生速度的限制，因此我们运行模拟和分析数据的能力之间存在实时竞争
" 随着时间的推移，古尔和他的合作者通过计算，重新模拟了尖峰蛋白接近、结合并与血管紧张素转换酶2 (ACE2)受体相互作用时的原子游移——血管紧张素转换酶2受体是许多细胞类型表面的蛋白质
他们最初的发现发表在《化学物理杂志》上，该发现通过全原子分子动力学(MD)模拟提出了与RBD-ACE2结合相容的S蛋白中间半开放状态的存在
此外，通过进行全原子分子动力学模拟，他们发现了一个延伸的盐桥网络，疏水和静电相互作用，以及尖峰蛋白受体结合域和乙酰胆碱酯酶2之间的氢键
这些发现的结果发表在BioRxiv上
使受体结合结构域上的残基突变不足以使结合不稳定，但是降低了将尖峰蛋白从ACE2上解结合的平均工作量
他们提出，通过中和抗体或纳米体阻断这一位点可以证明是抑制尖峰蛋白-ACE2相互作用的有效策略
为了证实计算机得出的见解是准确的，伊尔迪兹的团队使用单分子荧光共振能量转移(smFRET)进行了实验室实验，这是一种生物物理技术，用于测量单分子中1到10纳米尺度的距离 “这项技术允许我们通过测量两个发光探针之间的能量转移来观察蛋白质的构象变化，”伊尔迪兹说
伊尔迪兹说，尽管科学家仍然没有技术来实时观察分子运动的原子细节，但电子显微镜、单分子成像和计算机模拟的结合可以为研究人员提供病毒行为的丰富图像
“我们可以用电子显微镜获得冷冻分子的原子分辨率快照
我们可以利用分子动力学在短时间尺度内获得蛋白质运动的原子级模拟
使用单分子技术，我们可以得到电子显微镜和模拟所缺少的动力学，”伊尔迪兹总结道
“将这些方法结合在一起，我们可以全面了解病毒进入宿主细胞的机制
"
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