新冠病毒突變體B.1.1.529（Omicron）高傳染性及防傳染策略分析

盧永華，張光先

（1.家蠶基因組生物學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400716；2.西南大學(xué)蠶桑紡織與生物質(zhì)科學(xué)學(xué)院，重慶 400716）

新冠肺炎疫情自出現(xiàn)以來(lái)，短時(shí)間內(nèi)幾乎傳遍世界各地［1］，其部分突變體傳染性越來(lái)越強(qiáng)，特別是B.1.1.529（Omicron）受到空前關(guān)注?？墒牵P(guān)于新冠病毒高傳染性的研究報(bào)道很少，特別是對(duì)其突變體具有更高傳染性的研究報(bào)道更少。Wrap 等［2］通過(guò)冷凍電鏡觀察發(fā)現(xiàn)新冠病毒的刺突蛋白與ACE2 結(jié)合比SARS-CoV 更緊密，但是沒(méi)有給出具體原因；部分報(bào)道認(rèn)為是新冠病毒的刺突蛋白前后兩部分的中間區(qū)域突變引入Ferlin 片段所致［3-6］，理由是病毒感染后如果刺突蛋白前端被酶切除，病毒更容易進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)部而引起感染，而Ferlin 片段是一個(gè)酶切位點(diǎn)，新冠病毒因?yàn)橐朐撈螌?dǎo)致傳染性增強(qiáng)。然而，部分新冠病毒突變體具有更強(qiáng)的突變性，卻沒(méi)有增加更多的Ferlin 片段。

從生物物理的角度來(lái)看，病毒與受體結(jié)合產(chǎn)生的感染性與大分子間的相互作用直接相關(guān)，分子間作用力最強(qiáng)的應(yīng)該是電荷作用力，其次是極性基團(tuán)間的作用力、氫鍵力和狹義的范德華力。但如果基團(tuán)平面性好，則比普通基團(tuán)的作用力強(qiáng)，如酪氨酸殘基間的作用力。因此，新冠病毒及其突變體在電荷及其分布方面有不容忽視的研究意義。結(jié)合對(duì)部分新冠病毒突變體、ACE2 帶電荷數(shù)的分析［7］，本文系統(tǒng)探索新冠病毒及其高傳染性突變體的高傳染機(jī)理。

1 蛋白帶電荷數(shù)計(jì)算

多聚電解質(zhì)如蛋白質(zhì)大分子帶負(fù)電荷數(shù)X采用如下公式計(jì)算［8］：

式中，Kai是某酸性氨基酸殘基的電離常數(shù)；mi是蛋白質(zhì)分子中某個(gè)酸性氨基酸殘基數(shù)［蛋白質(zhì)分子中主要是酸性氨基酸殘基（谷氨酸殘基和天冬氨酸殘基）會(huì)大量電離而帶負(fù)電荷］。

蛋白質(zhì)大分子帶正電荷數(shù)Y采用如下公式計(jì)算：

式中，Kbi為某種堿性氨基酸的電離常數(shù)；ni為某種堿性氨基酸殘基（主要是精氨酸殘基、賴氨酸殘基和組氨酸殘基）數(shù)在蛋白中的數(shù)量。由于結(jié)合H+的組氨酸殘基電離常數(shù)太大，在中性條件下，組氨酸對(duì)蛋白帶正電荷數(shù)的貢獻(xiàn)很小。

蛋白的凈電荷數(shù)H采用如下公式計(jì)算：

負(fù)電荷數(shù)的計(jì)算誤差ΔX采用如下公式計(jì)算：

式中，ΔKai為某種酸性氨基酸殘基的電離常數(shù)Kai的偏差值。

正電荷數(shù)的計(jì)算誤差ΔY計(jì)算公式如下：

式中，ΔKbi為某種堿性氨基酸殘基的電離常數(shù)Kbi的偏差值。

Kai、Kbi、ΔKai和ΔKbi的值列于表1中。

表1 堿性氨基酸殘基和酸性氨基酸殘基的電離常數(shù)

表2 是ACE2、SARS-CoV 和SARS-CoV-2 中能電離氫離子產(chǎn)生負(fù)電荷的酸性氨基酸殘基數(shù)和能結(jié)合氫離子帶正電荷的堿性氨基酸殘基數(shù)。

表2 ACE2、SARS-CoV 和SARS-CoV-2 中酸性和堿性氨基酸殘基數(shù)

2 結(jié)果與討論

2.1 ACE2、Ss和Sp帶電荷數(shù)分布及新冠病毒高傳染機(jī)理

表3是ACE2、Ss和Sp在人體平均pH 7.3時(shí)帶的電荷數(shù)分布，SARS-CoV 和SARS-CoV-2 的第一亞單位Ss1和Sp1都是從N 端開始的第13～685 氨基酸，后面是Ss2和Sp2。由于人體pH 在7.25～7.35 之間，所以選擇7.3作為人體平均pH。

由表3 可知，電荷數(shù)的偏差與電荷數(shù)相比很小，表明該方法計(jì)算得到的數(shù)據(jù)可靠。氨基酸的電離常數(shù)在不同環(huán)境條件下相差10 倍以上，其偏差仍然很小，計(jì)算數(shù)據(jù)仍然可靠。這是因?yàn)榕c人體血液近中性的氫離子濃度相比，酸性氨基酸與堿性氨基酸的電離常數(shù)相差1 000倍左右。

表3 ACE2、Ss和Sp在pH 7.3 時(shí)帶的電荷數(shù)分布

由表3 還可知，ACE2 帶大量負(fù)電荷，SARS-CoV的整個(gè)刺突蛋白帶15.6 個(gè)負(fù)電荷，而SARS-CoV-2 的刺突蛋白雖然仍然帶負(fù)電荷，但數(shù)量大幅減少（6.6個(gè)）。對(duì)其電荷數(shù)在亞單位的分布計(jì)算顯示，SARSCoV 在2 個(gè)亞單位所帶負(fù)電荷基本相等，而新冠病毒所帶電荷分布嚴(yán)重不均：在前端的Sp1帶較多正電荷，負(fù)電荷數(shù)后移，Sp2帶11.8 個(gè)負(fù)電荷。因此，新冠病毒的高傳染性主要是新冠病毒刺突蛋白前端Sp1所帶正電荷與受體ACE2 所帶大量負(fù)電荷的靜電相互作用所致（電荷分布與作用模式見圖1）。

圖1 SARS-CoV 和SARS-CoV-2 與ACE2 的電荷分布與作用模式

2.2 新冠突變體電荷分布

由表4 可以看出，受關(guān)注的新冠病毒突變體帶有更多的正電荷，與新冠病毒受體的靜電作用更強(qiáng)，傳染性更強(qiáng)。目前在全世界范圍內(nèi)大規(guī)模傳播且傳染性較強(qiáng)的主要是Delta 病毒，帶正電荷最多；在Delta病毒廣泛傳播之前主要是Beta 病毒，它是除Delta 病毒之外帶正電荷最多的病毒；在歐洲廣泛傳播的B.1.1.7+E484K 病毒所帶正電荷與Beta 病毒相同，只是其中一個(gè)正電荷位于刺突蛋白Sp2區(qū)的后端，所以傳播能力稍弱。表4的計(jì)算結(jié)果基本與新冠病毒突變體的傳染情況相符。

表4 世衛(wèi)組織（WHO）重點(diǎn)關(guān)注的新冠病毒突變體在pH 7.3 時(shí)的電荷分布情況［1，10-21］

剛出現(xiàn)的新冠病毒突變體Omicron（B.1.1.529）首先具有相當(dāng)多的突變數(shù)，是Delta 病毒的3 倍多。最重要的是其帶有大量正電荷，雖然有4個(gè)正電荷處于Sp2上，但是比較靠前，所以預(yù)計(jì)Omicron 的傳染性比Delta 病毒更強(qiáng)。

2.3 驅(qū)離型新冠病毒口罩

新冠病毒及其高傳染突變體的傳播優(yōu)勢(shì)是其刺突蛋白帶有較多正電荷，與受體產(chǎn)生的大量負(fù)電荷相互作用產(chǎn)生高傳染性，這也是弱點(diǎn)和缺陷。用印染助劑將口罩材料改性可以制備成表面含有大量陽(yáng)離子的排斥殺毒型口罩（中間層制作成捕獲殺毒陰離子層），在新冠病毒接近時(shí)，表面層可以驅(qū)離新冠病毒，中間層可以捕殺漏網(wǎng)病毒，從而提高口罩的防護(hù)性能。這種口罩的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 排斥殺毒型口罩結(jié)構(gòu)示意圖

2.4 捕獲型換氣系統(tǒng)材料

在公共場(chǎng)所，特別是醫(yī)院、公共交通工具的換氣系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)中，需要對(duì)新冠病毒進(jìn)行高效捕殺以預(yù)防傳染。新冠病毒特別是傳染性強(qiáng)的突變體（如Delta 病毒和Omicron 病毒），刺突蛋白所帶正電荷很多，用印染助劑制備的“仿生”帶負(fù)電荷材料（強(qiáng)清除病毒和殺毒過(guò)濾組件，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖3 所示）可以用于公共場(chǎng)所實(shí)現(xiàn)高效捕殺預(yù)防。

圖3 強(qiáng)清除病毒和殺毒過(guò)濾組件

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)SARS-CoV、SARS-CoV-2 及其VOC 突變體刺突蛋白、血管緊張素蛋白電荷及其分布的分析顯示，SARS-CoV-2 及其VOC 突變體的刺突蛋白主要通過(guò)Sp1突變帶正電荷，而與帶大量負(fù)電荷的ACE2具有強(qiáng)電荷作用力，可以實(shí)現(xiàn)高傳染。Delta 病毒和Omicron 病毒帶有很多正電荷，特別是Omicron 病毒，整個(gè)亞單位Sp1都帶正電荷。建議使用帶大量正電荷的材料制備口罩以驅(qū)離病毒，或用帶大量負(fù)電荷的“仿生ACE2”無(wú)紡面料制備通風(fēng)系統(tǒng)材料捕殺新冠病毒，以提高防疫效果。