奥斯汀德克萨斯大学的豪尔赫·萨拉扎 一个完整的SARS-CoV-2病毒粒子的多尺度模型已经首次用超级计算机开发出来
该模型为科学家提供了利用病毒漏洞的新方法的可能性
外部(左)和内部(右)视图显示了尖峰蛋白三聚体(青色)、糖基化位点(黑色)、膜蛋白(蓝色)和五聚体包膜离子通道(橙色)
学分:芝加哥大学格雷戈里·沃斯
COVID-19病毒有一些秘密
科学家们对它如何融合并进入宿主细胞仍一无所知；它如何自我组装；以及它是如何从宿主细胞中发芽的
结合实验数据的计算建模提供了对这些行为的洞察
但是，迄今为止，对导致大流行的SARS-CoV-2病毒的有意义的时间尺度的建模仅限于其片段，如尖峰蛋白，这是当前一轮疫苗的目标
一个新的多尺度粗粒度模型的完整的SARS-CoV-2病毒粒子，其核心遗传物质和病毒粒子外壳，已经开发了第一次使用超级计算机
该模型为科学家提供了利用病毒漏洞的新方法的可能性
“我们想了解作为一个整体粒子，SARS-CoV-2是如何整体工作的，”黑格出版社的格雷戈里·沃斯说
芝加哥大学帕帕齐安杰出服务教授
沃斯是该研究的相应作者，该研究开发了第一个完整的病毒模型，于2020年11月发表在《生物物理杂志》上
“我们开发了一个自下而上的粗粒度模型，”沃斯说，“我们从原子级分子动力学模拟和实验中获取信息
他解释说，粗粒度模型只解决原子组，而全原子模拟则解决了每个原子的相互作用
“如果你做得好，这总是一个挑战，你就保持了模型的物理性
" 这项研究的早期结果显示了病毒表面的尖峰蛋白是如何协同运动的
“它们不会像一堆随机的、不相关的运动一样独立运动，”沃斯说
“他们一起工作
" 尖峰蛋白的这种协同运动提供了冠状病毒如何探索和检测潜在宿主细胞的乙酰胆碱酯酶2受体的信息
“我们发表的论文显示了尖峰蛋白的运动模式是如何相互关联的，”沃斯说
他补充说，尖刺是相互连接的
当一种蛋白质移动时，另一种蛋白质也随之移动
Voth说:“该模型的最终目标是，作为第一步，研究最初的病毒粒子吸引力和与细胞上ACE2受体的相互作用，并了解这种吸引力的来源以及这些p蛋白如何共同作用进行病毒融合过程。”
10 × 106重心时间步长的非典型肺炎冠状病毒粒子的粗粒度分子动力学模拟
学分:芝加哥大学格雷戈里·沃斯
二十多年来，沃斯和他的团队一直在开发针对艾滋病毒和流感等病毒的粗粒度建模方法
他们“粗化”数据，使其更简单，更易于计算，同时保持系统的动态性
“粗粒度模型的好处是它的计算效率比全原子模型高数百到数千倍，”沃斯解释说
计算上的节省使得研究小组能够建立比以前更大的冠状病毒模型，比全原子模型的时间尺度更长
“你剩下的是更慢的集体运动
如果你做得好的话，更高频率的全原子运动的影响会被折叠成这些相互作用
这就是系统粗粒化的概念
" Voth开发的整体模型始于SARS-CoV-2病毒体四种主要结构元素的原子模型:尖峰、膜、核衣壳和包膜蛋白
这些原子模型随后被模拟和简化以生成完整的过程粒度模型
病毒粒子系统的尖峰蛋白成分的全原子分子动力学模拟，大约1
加州大学圣地亚哥分校的化学和生物化学教授、该项研究的合著者罗米·阿马罗说，有700万个原子
“他们的模型基本上吸收了我们的数据，它可以从我们在这些更详细的尺度上的数据中学习，然后超越我们去的地方，”阿马罗说
“Voth开发的这种方法将允许我们和其他人在更长的时间尺度上进行模拟，这是实际模拟病毒感染细胞所需要的
" 阿玛罗详细阐述了从尖峰蛋白的粗粒度模拟中观察到的行为
“他非常清楚地看到，尖峰信号的S1亚基开始解离
融合过程中，尖状物的整个顶部都会脱落，”阿马罗说
病毒与宿主细胞融合的第一步是解离，它与宿主细胞的ACE2受体结合
“他们用这个粗粒度模型看到的更大的S1开放运动是我们在全原子分子动力学中还没有看到的，事实上我们很难看到，”阿马罗说
“这是这种蛋白质功能和宿主细胞感染过程的关键部分
这是一个有趣的发现
" SARS-CoV-2病毒粒子沿最高方差本征模的运动模式，对应于尖峰蛋白S1-S2域的展曲运动
学分:芝加哥大学格雷戈里·沃斯
沃斯和他的团队使用了弗龙特拉超级计算机上的阿玛罗实验室产生的关于尖峰蛋白开放和关闭状态的全原子动力学信息，以及其他数据
美国国家科学基金会资助的Frontera系统由位于奥斯丁的德克萨斯大学的德克萨斯高级计算中心(TACC)运营
“弗龙特拉已经在多个尺度上展示了这对于病毒研究的重要性
在原子水平上理解尖峰及其所有原子的潜在动力学是至关重要的
那里还有很多东西要学
但是现在这些信息可以被第二次用来开发新的方法，让我们能够走得更远更远，就像粗粒化方法一样，”阿马罗说
“Frontera在提供原子水平的分子动力学数据以供输入该模型方面特别有用
这非常有价值，”沃斯说
沃斯小组最初使用芝加哥大学研究计算中心的Midway2计算集群来开发粗粒度模型
膜和包膜蛋白全原子模拟是在安东2系统上生成的
安东2由匹兹堡超级计算中心运营，并得到了美国国立卫生研究院的支持，是一台用于分子动力学模拟的专用超级计算机，由D
E
肖研究
“弗龙特拉和安东2号为这个模型提供了关键的分子水平输入数据，”沃斯说
“关于Frontera和这些类型的方法，一件非常奇妙的事情是，我们可以让人们更准确地了解这些病毒是如何移动和传播的，”阿马罗说
“病毒的某些部分甚至连实验都看不见，”她继续说道
“通过我们在Frontera上使用的这些方法，我们可以让科学家们对这些系统的复杂性以及它们与抗体、药物或宿主细胞部分的相互作用有第一个重要的了解
" Frontera向研究人员提供的信息类型有助于理解病毒感染的基本机制
阿马罗补充说，这也有助于设计更安全、更好的药物来治疗和预防这种疾病
沃斯说:“我们现在关心的一件事是英国和南非的非典病毒变异体
据推测，有了像我们在这里开发的计算平台，我们可以快速评估这些差异，即氨基酸的变化
我们有望很快理解这些突变对病毒造成的变化，然后有望帮助设计新的改良疫苗
"
来源：由phyica.com整理转载自PH，转载请保留出处和链接！
