作者奥利维亚·特兰尼，橡树岭国家实验室 细胞膜是细胞抵御新冠肺炎冠状病毒的第一道防线
病毒表面覆盖着与细胞膜结合并促进病毒感染的尖峰蛋白
研究人员正在调查这一过程是如何进行的，以及有哪些治疗方法可以帮助阻止这一过程
信用:ORNL/吉尔·海曼 细胞膜是细胞抵御SARS-CoV-2的最外层防线，SARS-CoV-2是导致新冠肺炎病的新型冠状病毒
细胞膜只有几纳米厚，但对生命至关重要
它们充当细胞内部和周围环境之间的屏障，并为细胞功能提供许多必需的活动
弗吉尼亚理工大学和能源部橡树岭国家实验室(ORNL)的研究人员正在使用中子散射来研究细胞膜和病毒是如何相互影响的，以及什么样的治疗候选物可以使细胞膜对病毒的进入更具抵抗力
这些信息可以帮助专家设计减缓病毒感染进程和减少其有害影响的策略
ORNL大学的生物物理学家和中子散射科学家约翰·卡萨拉斯说:“开发干扰病毒感染过程的治疗方法可以帮助降低新冠肺炎病的严重程度，使人们能够更快地康复。”
这反过来又可以减少住院人数，降低医疗设施不堪重负的风险
薄膜聚焦任务 冠状病毒在从其自身膜层突出的尖峰蛋白的帮助下劫持人类细胞，使病毒呈现皇冠状外观
尖峰蛋白附着在细胞表面，有助于融合病毒和细胞膜
一旦细胞膜融合，病毒就可以进入细胞并复制自身，将感染扩散到全身
通过确定冠状病毒如何穿透细胞膜，科学家可以开发出阻止这一过程的治疗方法
许多研究人员正在探索通过靶向其尖峰蛋白来对抗病毒的方法，但很少有人关注感染过程开始的部位:细胞膜
弗吉尼亚理工大学物理学助理教授、领导这项研究的前ORNL·舒尔研究员拉纳·阿什卡尔说:“病毒要想活跃，必须通过细胞膜。”
“已经完成的大部分工作集中在灭活尖峰蛋白本身
然而，我们想了解尖峰蛋白是如何与细胞膜相互作用的，以及什么样的治疗可以通过靶向细胞膜的特性来间接阻断这种相互作用
" 阿什卡尔和她的研究小组研究生物膜模型的结构和动力学，以深入了解细胞膜的功能
当COVID-19开始传播时，她利用实验室的资源帮助科学界更好地理解冠状病毒感染
他们与ORNL的研究人员合作，建立了对允许病毒进入的膜特性的分子理解，膜在与病毒接触时如何变化，以及什么样的膜修饰可以抑制感染过程
“ORNL在分析生物膜的纳米结构方面具有国际领先地位
由于我们的专业知识、合作者网络和中子散射能力，我们能够迅速将研究重点转向更好地理解冠状病毒和某些其他化合物如何影响膜，”卡萨拉说
该项目还利用了实验室内广泛的专业知识
ORNL生物科学部门的细胞和分子真菌遗传学家鞠波·拉韦说:“在ORNL，我们能够与来自许多领域的专家合作，如物理、化学和生物学。”
“当危机开始时，我们将这些综合知识应用于开发研究项目，以应对与该流行病相关的一些最大挑战
" 中子视觉 该小组正在使用ORNL散裂中子源的液体反射仪来检查细胞膜和病毒尖峰蛋白的构象，以及某些候选治疗药物的效果
借助该仪器，科学家可以测量中子与不同生物材料相互作用时的轨迹
然后，他们利用这些信息来确定样品在分子水平上是如何组织的
“使用这种技术，我们可以捕捉膜的结构，并评估在生理条件下，当膜与尖峰蛋白或治疗化合物接触时，分子细节会发生什么变化，”ORNL的博士后研究助理明·潘说
阿什卡尔说，生物膜具有纳米尺度的轮廓，这使得研究人员很难研究它们的结构和行为
然而，中子能够以高分辨率探测生物材料而不损害它们
她说，中子散射是探索病毒和治疗候选物如何在纳米尺度上与膜相互作用的少数可用技术之一
中子也是这项研究的理想选择，因为它们可以区分氢及其同位素，如氘
阿什卡尔说:“通过用氘原子选择性地替换膜样品中的氢原子，我们有能力改变中子‘看’东西的方式，这样我们就可以放大某些方面，完全模糊其他方面。”
“当我们改变样品中氢和氘的含量时，我们可以精确定位膜内的不同特征，”ORNL仪器科学家约翰·安科纳补充道
“通过汇集所有这些测量数据，我们可以创建一个结构模型，就像拼图玩具的碎片一样
" 构建分子图像 研究人员用一种膜模型进行了实验，这种膜模型非常接近人类肺部细胞膜的形状和组成，呼吸道病毒感染主要发生在肺部
样本是由国家科学学会的科学助理玛丽·奥多姆准备的
利用LIQREF，该小组首先描述了膜的原始结构
然后，他们测量了当暴露于褪黑激素或阿奇霉素(目前医学专家正在研究的缓解COVID-19症状的可能治疗方法)时，膜的性质如何变化
褪黑激素是一种由大脑产生的天然激素，在调节睡眠周期中起作用
合成褪黑激素补充剂主要用于时差和睡眠障碍，但也用于缓解各种感染症状
阿奇霉素是一种抗生素，用于治疗多种感染，如支气管炎和肺炎
阿什卡正在弗吉尼亚理工大学领导额外的表征实验，以进一步研究这些产品如何影响膜组织
最初的结果表明，当引入褪黑激素或阿奇霉素时，膜更紧密地包裹在一起
这种变化可能会使膜入侵对病毒尖峰蛋白更具挑战性
该团队将把病毒尖峰蛋白整合到膜样本中，并分析蛋白-膜复合物的各种因素
这些包括尖峰蛋白如何与膜结合，蛋白的插入机制，以及膜对蛋白的反应，如其压缩或硬度的变化
然后，研究小组将检查这些相互作用是否在候选治疗药物的存在下被破坏
中子散射工作主要由安科纳和潘完成
此外，ORNL博士后研究员雅各布·金嫩进行了补充实验，探索这两种化合物如何影响膜样品的分子堆积和结合动力学
帕特·科利尔是ORNL纳米材料科学中心的研究员，他研究了由脂质包裹的水滴形成的膜，以获得关于膜特性的更多信息
展望未来，研究人员设想这些方法可以用于建立一个平台，快速、系统地筛选各种治疗方法的有效成分，以帮助缓解当前的大流行和未来可能出现的其他病毒呼吸道威胁
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