世界最快超級計算機識別出阻止病毒化合物,每秒計算200萬億次

2020-12-05 騰訊網

據美國橡樹嶺國家實驗室Oak Ridge National Laboratory（ORNL）在ChemRxic雜誌發布的最新研究報告， 配備有「人工智慧大腦」的超級計算機Summit進行了數千次的仿真後，識別出77種可以有效阻止新冠病毒感染宿主細胞的藥物化合物，這將成為研發出針對新冠病毒的有效治療方法的關鍵一步。

據Worldometer 統計，截至25日上午，新冠病毒感染病例已達到421413例， 死亡人數逾18810。目前尚無新冠病毒的疫苗和治療方法，迅速蔓延的疫情使科學家們面臨前所未有的挑戰，而世界上最快的超級計算機Summit則加快了了研究路線圖的規劃。

研究人員在Summit上對8000多種化合物進行了模擬，篩選出了最有可能與新冠病毒主要「尖峰」蛋白結合從而使其無法感染宿主細胞的化合物，並根據其阻止病毒感染人體的有效性進行了排名。

新冠病毒S蛋白的結構建模：以SARS為模板

早在疫情早期階段，武漢病毒所研究團隊周鵬，石正立等人便從5位新冠肺炎患者的病毒樣本中獲得了該病毒的全長基因序列，發現其與SARS 具有79.6%的序列同源性，並將該結果發表在《自然》雜誌上。

圖源：Nature

由於這兩種病毒的結構高度相似，研究人員開始關注新冠病毒進入宿主細胞的進入點。

田納西大學（UT）校長兼UT / ORNL分子生物物理中心主任Jeremy C. Smith的假設是，兩種病毒甚至可能以相同的方式「對接」至人體細胞。

據《中國生命科學》雜誌於1月21日發布的一篇論文，中國醫學家新天許，陳萍等人以SARS冠狀病毒S蛋白的晶體結構為模板，採用計算機引導的同源性建模方法，利用Swiss模型構建了新冠病毒S蛋白的結構模型，並評估了其與人類ACE2分子相互作用的能力。

圖片來源：SCIENCE CHINA

在此基礎上，橡樹嶺團隊成員和UT / ORNL CMB博士後研究員Micholas Smith根據該結構研究，設計了一個全面的新冠病毒刺突蛋白（也稱為S蛋白）的計算模型，旨在計算出可防止新冠病毒S蛋白尖峰粘附人體細胞的化學物質。

圖片來源：Micholas Smith /美國能源部橡樹嶺國家實驗室

計算出一種以灰色顯示的化合物與以青色顯示的SARS-CoV-2刺突蛋白結合，以防止其與紫色顯示的人類血管緊張素轉化酶2或ACE2受體對接。

超級計算機Summit助推識別可幹擾感染的化合物

Micholas Smith 通過Summit 超級計算機進行分子動力學模擬，從而分析蛋白質中原子和顆粒的運動。他模擬了對接於新冠病毒S蛋白尖峰的不同化合物，以確定它們是否都可以防止該尖峰粘附在人體細胞上。

Micholas Smith說：「基於Summit，我們根據它們與S蛋白峰值結合的可能性標準對這些化合物進行了排名。」

研究小組發現了77種小分子化合物，例如藥物和天然化合物。在模擬中，這些化合物會結合到對人體細胞很重要的尖峰區域，從而幹擾感染過程。

圖片來源：Michelle Lehman和美國能源部CADES /橡樹嶺國家實驗室

ORNL研究人員使用Summit超級計算機確定了可能與SARS-CoV-2冠狀病毒的主要「尖峰」蛋白結合併阻止其感染人類細胞的現有藥物化合物。

在《科學》雜誌上發布了高度精確的S蛋白模型後，研究小組計劃使用更新後的模型再次運行計算研究。研究人員強調必須對77種化合物進行實驗測試，然後才能確定其可用性。

「使用Summit來獲得我們所需的仿真結果僅僅花了一兩天的時間，而在一臺普通計算機上要花上幾個月的時間，」Jeremy C. Smith說。

超級計算機Summit 於2014年受美國能源部委託製造，旨在解決全球性難題。它的運算速度是每秒200萬億次，也就是說，它的運算能力是最快的筆記本電腦的100萬倍。

此前，Summit曾確定了早老性痴呆症細胞系統的模式，分析了有助於阿片類藥物成癮性狀的基因，並根據氣候模擬預測了極端天氣。

圖片來源：CNN

「這不是治癒方法，但這是朝正確方向邁出的關鍵一步」

「這並不意味著我們已經找到了治療新冠病毒的方法。但我們希望，我們的計算結果將為將來的研究提供參考，並為實驗人員提供用於進一步研究這些化合物的框架，」 Jeremy C. Smith在一份聲明中說。

「只有這樣，我們才知道它們中是否都具有減輕這種病毒感染所需的特徵。」

該研究團隊將對新冠病毒峰值模型進行持續的更新，通過在Summit 上運行模擬判斷哪些藥物對病毒最有效。該研究結果會在第一時間發布在ChemRxiv雜誌上，截至目前，該模型已經進展到第四版本。

（文/王童童，圖/網絡，DAILY MEDIA出品）

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