為擊敗Covid-19，科學家試圖“看到”隱形敵人

土司

羅米·阿瑪羅在上個月幾乎沒有睡覺，她的聲音嗡嗡作響，這位加州大學圣地亞哥分校的生物物理學家在過去的幾周中，帶領她的國際研究團隊一直在努力工作，以提供一種強大的新工具來對抗全球病毒大流行。他們正在創建一個移動的新冠肺炎病毒數字復制品（使用超級計算機進行模擬），以力求精確到微生物的單個原子。

通過詳細可視化冠狀病毒的行為，阿瑪羅希望確定其結構的漏洞，然后研究人員可以利用這些漏洞來開發預防感染的藥物或疫苗。“一旦知道病毒的工作原理，就可以從戰略上使其停止運行。” 阿瑪羅說：“要使高速的汽車停下，就要給輪胎放氣！”

借用超級計算機模擬病毒程序

阿瑪羅小組通過遠程登錄位于奧斯汀的德克薩斯高級計算機中心的超級計算機Frontera，建立了逐個原子的仿真程序。他們正在努力模擬病毒的整個外部結構，該結構包括脂肪膜和位于其表面的蛋白質。

隨著其他研究人員發布新數據，團隊不斷完善他們的模擬。4月初，在英國研究人員發布有關冠狀病毒表面裝飾的糖分子的新細節之前，他們擁有了“一種基本可以運行的模型”，然后團隊急于整合新數據，“這無疑是迄今為止我一生中最激動人心的科學時刻。” 阿瑪羅說。

阿瑪羅小組完成的模擬將描繪2億個原子的運動，這是一個很小的數據，比如一粒鹽就含有1000億倍的原子。另一方面要模擬的運動部件很多，他們的目標是跟蹤病毒表面上任何不穩定的球體中每個單獨原子的運動。為了達到這種詳細程度，他們在超級計算機中使用了多達250000個處理內核（要知道，一般家用筆記本電腦CPU最多才8個內核），由此產生的模擬結果有助于科學家更好地理解病毒如何從呼吸道進入并侵入健康的肺細胞。

小知識

SARS-CoV-2和Covid-19的稱謂

世界衛生組織正式發布的通告，將新型冠狀病毒感染的肺炎正式命名為“2019冠狀病毒病”（Covid-19）。可能很多人第一次看到這一串英文和阿拉伯字符有些懵，首先來看英文字符的部分，Covid是冠狀病毒的英文詞組縮寫，其含義為“CO”代表Corona（冠狀），“VI”代表Virus（病毒），“D”代表Disease（疾病），“19”代表疾病發現的年份2019年。由于引發該肺炎的冠狀病毒與引發SARS的冠狀病毒具有高度親緣性，該病毒被命名為“SARS-CoV-2”。

為病毒制作“畫像”

模擬計算將有關冠狀病毒結構的大量研究整合為一個內聚模型，在短短幾個月內，這項研究已經取得了很大進展。最初，科學家對SARS-CoV-2的外觀只有一個大概的想法，部分是從他們對相關冠狀病毒（例如第一種SARS病毒，正式稱為SARS-CoV）的了解中得出的。那時，疾病控制中心委托官方對這種新型病毒進行了描述，這種病毒現在帶有紅色丘疹的皺紋灰色球的圖像，即病毒用來進入人體細胞的刺突蛋白。

每個病毒顆粒都不相同，現在研究人員已經觀察到某些病毒顆粒呈球形，而另一些則呈卵形。它們的大小各不相同，直徑范圍為80到160納米，并排排列，將近1000種冠狀病毒均是這個寬度。

此外該病毒的包膜實際上不是灰色的，其尖峰也不是紅色的——病原體太小而沒有顏色。人類所感知的顏色主要是光波從物體表面反射或吸收的結果，但是冠狀病毒比可見光本身小。它的直徑比紫色光（最短波長的可見光）的波長范圍窄約三倍。

藥物和疫苗設計需要更加科學精確的圖像，研究人員將微生物放大了40000倍以上，對它們進行了極端特寫以了解其結構的復雜性。例如今年2月，得克薩斯大學奧斯汀分校的生物學家杰森·麥克萊倫及其團隊發布了冠狀病毒刺突蛋白的高倍3D圖像。

研究小組沒有研究與野生病毒連接的蛋白，這種刺突蛋白附著在真實病毒的表面。取而代之的是，他們重新創建了該病毒基因組的一部分，該基因組的一部分已于1月11日在中國公開發布。該團隊將這些基因插入培養的人類胚胎腎細胞中，然后產生了這些刺突蛋白。他們提取了這些蛋白質并進行了成像。

麥克萊倫的團隊使用一種稱為“冷凍電子顯微鏡”的方法對蛋白質的峰進行了成像，在該方法中，他們向冷凍的電子束發射了一束電子，讓單個蛋白質緊貼細網。以光速行進的電子從蛋白質的原子反彈到檢測器上，在檢測器上形成圖像。研究人員重復這一過程，在網格上創建了成千上萬的蛋白質圖像，所有圖像都朝向不同的方向，然后可以使用算法來嘗試重新創建可以給出所有不同視圖的對象。

重新啟用的X射線晶體學

還有一些研究人員使用X射線晶體學的方法來研究病毒的結構，在這種方法中，他們獲取了所述生物分子的多個副本，并將它們排列成整齊的行以形成晶體，然后從透射的X射線形成的陰影和亮度區域推斷病毒的結構。

阿瑪羅小組正在將這些方法的各種結果拼湊在一起，以模擬整個病毒的外觀。利用數據來源，例如麥克萊倫的尖峰圖像，X射線晶體學結果和其他測量結果，包括已經發布的尖峰蛋白的動態模擬。

這種蛋白質被糖類包裹著，被稱為聚糖，由于健康的人類細胞被相同的聚糖所覆蓋，因此糖類會掩蓋人類免疫系統中的病毒：他們稱其為“糖盾”。實際上，只有蛋白質的最頂端缺少這種含糖的偽裝，小的裸露部分科學家在仿真中將其著色為灰色。藥物開發人員也許可以使用阿瑪羅的模擬來設計一種分子，該分子通過附著在裸露的灰色尖端上來解除病原體的武裝。研究表明，該病毒的主要武器也許也是其致命弱點。

研究人員特別專注于研究刺突蛋白，因為他們認為這是預防感染的關鍵。但是關于新冠肺炎病毒行為的其他奧秘仍然存在。特別是，科學家希望更好地了解病毒在開始感染時首次遇到人類細胞會發生什么，為此，阿瑪羅的團隊計劃在病毒接近模擬宿主細胞的一部分時對其運動進行建模。她說：“仍然有很多未解決的問題，但進一步的研究希望讓這個看不見的敵人能徹底暴露。”