盧永華，張光先

（1.家蠶基因組生物學(xué)國家重點實驗室，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，短時間內(nèi)幾乎傳遍世界各地［1］，其部分突變體傳染性越來越強，特別是B.1.1.529（Omicron）受到空前關(guān)注?？墒?，關(guān)于新冠病毒高傳染性的研究報道很少，特別是對其突變體具有更高傳染性的研究報道更少。Wrap 等［2］通過冷凍電鏡觀察發(fā)現(xiàn)新冠病毒的刺突蛋白與ACE2 結(jié)合比SARS-CoV 更緊密，但是沒有給出具體原因；部分報道認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，病毒更容易進入細胞內(nèi)部而引起感染，而Ferlin 片段是一個酶切位點，新冠病毒因為引入該片段導(dǎo)致傳染性增強。然而，部分新冠病毒突變體具有更強的突變性，卻沒有增加更多的Ferlin 片段。

從生物物理的角度來看，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)，分子間作用力最強的應(yīng)該是電荷作用力，其次是極性基團間的作用力、氫鍵力和狹義的范德華力。但如果基團平面性好，則比普通基團的作用力強，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理。

1 蛋白帶電荷數(shù)計算

多聚電解質(zhì)如蛋白質(zhì)大分子帶負電荷數(shù)X采用如下公式計算［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）會大量電離而帶負電荷］。

蛋白質(zhì)大分子帶正電荷數(shù)Y采用如下公式計算：

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，組氨酸對蛋白帶正電荷數(shù)的貢獻很小。

蛋白的凈電荷數(shù)H采用如下公式計算：

負電荷數(shù)的計算誤差ΔX采用如下公式計算：

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)的計算誤差ΔY計算公式如下：

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理

表3是ACE2、Ss和Sp在人體平均pH 7.3時帶的電荷數(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，計算數(shù)據(jù)仍然可靠。這是因為與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 時帶的電荷數(shù)分布

由表3 還可知，ACE2 帶大量負電荷，SARS-CoV的整個刺突蛋白帶15.6 個負電荷，而SARS-CoV-2 的刺突蛋白雖然仍然帶負電荷，但數(shù)量大幅減少（6.6個）。對其電荷數(shù)在亞單位的分布計算顯示，SARSCoV 在2 個亞單位所帶負電荷基本相等，而新冠病毒所帶電荷分布嚴重不均：在前端的Sp1帶較多正電荷，負電荷數(shù)后移，Sp2帶11.8 個負電荷。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，傳染性更強。目前在全世界范圍內(nèi)大規(guī)模傳播且傳染性較強的主要是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）重點關(guān)注的新冠病毒突變體在pH 7.3 時的電荷分布情況［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個正電荷處于Sp2上，但是比較靠前，所以預(yù)計Omicron 的傳染性比Delta 病毒更強。

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)勢是其刺突蛋白帶有較多正電荷，與受體產(chǎn)生的大量負電荷相互作用產(chǎn)生高傳染性，這也是弱點和缺陷。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，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性能。這種口罩的結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖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，需要對新冠病毒進行高效捕殺以預(yù)防傳染。新冠病毒特別是傳染性強的突變體（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”帶負電荷材料（強清除病毒和殺毒過濾組件，結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖3 所示）可以用于公共場所實現(xiàn)高效捕殺預(yù)防。

圖3 強清除病毒和殺毒過濾組件

3 結(jié)論

通過對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Sp1突變帶正電荷，而與帶大量負電荷的ACE2具有強電荷作用力，可以實現(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，或用帶大量負電荷的“仿生ACE2”無紡面料制備通風(fēng)系統(tǒng)材料捕殺新冠病毒，以提高防疫效果。