唧唧堂名校科研介绍2014-08-08 3:23 PM

电脑有可能是我们对抗流感的最佳武器

我们依靠药物来治疗流感。然而不幸的是,由于病毒的自我进化,许多药物都失去了原有效力。科学家们现今利用计算机模拟来察看病毒如何进行复制,以及这些结果可能会为药物设计师发明更强力流感治疗提供新灵感。芝加哥大学化学教授Gregory Voth表示,如果不深刻了解疾病功能就很难成功设计出药物。 

流感药金刚烷胺是当初旨在通过在M2通道中阻断质子流来治疗甲型流感的的庞大有机化合物,它是针对抗病毒治疗的极少蛋白质之一。多尺度理论与模拟中心主任Voth表示,该质子流是流感病毒复制所必不可少的。不幸的是,该流感不同形式的后续突变已改变了金刚烷胺绑定到M2蛋白的能力。寻找能够阻止这种或其他流感蛋白的新型药物已成众愿。 

来自为该项研究提供资金支持的国家卫生研究所之基础医学研究所的Peter Preusch 介绍表示,Voth博士和同事模拟了质子通过M2通道传输的过程以及导致产生抗药性并以先前不可能的程度阻断该通道的突变的影响。这项工作有助于扩大可供研究人员进行分子模拟的方法,并可能最终促成更高效的新型药物来治疗流感感染。


“未知”信息大披露

该团队通过来自甲型流感的M2通道进行了广泛多尺度的质子渗透模拟,即病毒复制中的一个关键步骤。该模拟使他们能从电子(最小型)到分子(中型)再到介观(最大型)这三个相关规模来想象这一过程。去年因为“复杂化学系统多尺度模型的发展”作出贡献而获得诺贝尔化学奖的三位科学家证明了这一模拟技术的性能。完善的计算机模拟加上正确的物理学共同揭示了本来未知的大量信息,原则上来说你可以根据潜在药物靶标进行这些计算并查看他们如何有效连结。

通过水样M2通道的质子流是一个涉及到很多包括化学键连结和断裂在内的现象的复杂过程。20多年以来,科学家们试图计算模拟这一过程来了解其运作原理,但直到现在才实现了夙愿。没有其他实验或模拟技术能够如此详细的检查质子流过程。然而研究人员通过该实验成功产生了M2蛋白不同部分的突变。该团队进行的蛋白质动态模拟不仅和这些验证结果的实验数据相吻合,而且也解释了这些突变产生的影响,其中之一是主导耐药性的原因。 

超级计算机 

为了达到这样的显著结论,该研究团队发掘了四个高性能计算机集群的力量。其中的计算机集群“老大”是在大学计算机研究中心的Midway高性能计算集群。该Midway高性能计算集群在研究领衔作者兼化学研究生Ruibin Liang警惕指导下整年持续计算该问题的不同方面。但该团队还需要位于德克萨斯大学奥斯汀分校的德州高级计算中心,圣地亚哥大学的圣地亚哥超级计算机中心以及密西西比州维克斯堡国防部高性能计算中心部门的计算机集群。

Liang表示,巨大工作量使其竭尽所能利用一切资源。 Voth教授更是为了该项目投入了大量计算机时间,且他和团队成员面临着更多的研究工作,其中包括尝试加速仿真过程,详述耐药基因突变的影响以及锁定流感其他形式。据Liang表述,当前已万事俱备更近东风,有关揭示B型流感病毒的质子渗透机制的研究工作已经起步,即具有不同M2通道的另一种流感形式,并能完全抵抗如金刚烷胺等的药物。

据PNAS报道,美国国立卫生研究院为该项研究提供了资金支持。

英文报道
COMPUTERS COULD BE OUR BEST WEAPON TO FIGHT THE FLU
http://www.jijitang.com/note/5566

论文原文
《Multiscale simulation reveals a multifaceted mechanism of proton permeation through the influenza A M2 proton channel》, 2014年6月16日发表于《PNAS》.
http://www.jijitang.com/note/5572

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