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        借助超級計算機尋找有效的分子

        2022-06-23 09:41:08MAAlexanderStark
        流程工業(yè) 2022年3期
        關鍵詞:超級計算機蛋白酶抑制劑

        文/ MA Alexander Stark

        雖然不斷批準的疫苗給新型冠狀病毒的預防帶來了希望,但是仍缺少一種強有力的治療藥物——德國于利希市的科學家正在歐洲的一個聯(lián)合項目中尋找能夠阻斷新型冠狀病毒蛋白分子合成的方法。為此,研究人員征用了歐洲最大的超級計算中心,期望借助其超強的計算能力推進藥物的研發(fā)。

        在超級計算機的幫助下,于利希的研究人員在數(shù)周內檢測了數(shù)百萬個對冠狀病毒選定的目標結構有抑制作用的分子。在重重篩查下,人們將目光放在了冠狀病毒的3 CL蛋白酶上——它有希望成為抗病毒的關鍵靶點。該蛋白酶也被稱為“Mpro”,英文全稱為“Main Protease(主要蛋白酶)”。當這種蛋白質分裂酶受到抑制時,病毒將無法繁殖。因為人體內沒有與其具有相似特性的蛋白酶,所以科學家們預測,針對這種病毒主要蛋白酶的抑制劑極有可能對人體無害。最初,世界各地的研究人員都期待著研究能夠迅速成功。他們之所以滿懷希望,是因為2002年發(fā)現(xiàn)的冠狀病毒SARS-CoV和新的SARS-CoV-2病毒的主要蛋白酶的氨基酸序列具有96%的同一性,其中對酶功能來說至關重要的活性中心序列的相似度甚至達到了100%。然而,令人驚訝的是,成功阻斷SARS-CoV主要蛋白酶的分子對SARSCoV-2幾乎沒有任何抑制作用。

        于利希市超級計算中心中的Juwels超級計算機

        于利希神經(jīng)科學與醫(yī)學研究所計算生物醫(yī)學分所(INM-9)的Giulia Rossetti教授解釋說:“蛋白質不是簡單的剛性結構。它們是3D的,不斷運動并且非常靈活。遠離活性中心的突變仍然可以從根本上改變其可

        塑性和結合特性。”此外,對兩種病毒活性中心的模擬對比結果,也證實了這一點:它們在可塑性和對抑制分子的反應程度上都大不相同。具體而言,在某些條件下,SARS-CoV-2活性中心的體積要比SARS-CoV的大50%。這會影響活性中心向抑制劑靠近,使它們無法成功 對接。

        為了更準確地了解哪些因素會影響酶的形狀和功能,科學家們研究了超過3萬種可能的3D空間排列方式。Giulia Rossetti解釋說道:“這就像是一部由許多獨立快照組成的卡通片。通過計算的方式,我們能夠找到適合這些可能性的分子。”

        在尋找治療藥物時,研究人員通常遵循鎖鑰原理。已知的藥物和物質即為所有可能的“鑰匙”,它們將通過計算機的超級計算能力去打開未知分子這把“鎖”?!暗?,我們發(fā)現(xiàn)SARS-CoV-2的主要蛋白酶的形狀非常靈活,也就是說‘鎖’在不斷變化。該形狀取決于結合時的配體和許多其他因素,如溫度、pH值、生化環(huán)境等。”此項研究的第一作者,INM-9的博士生Jonas Go?en這樣說道。因此,該研究小組轉而“從‘鎖’的角度”出發(fā),開始了新的尋找方向。Jonas Go?en表示:“我們已經(jīng)計算出了活性中心會出現(xiàn)哪些可能的變形,以及什么樣的‘鑰匙’才能阻斷它?!庇辛诉@個“藍圖”,科學家們便可在物質庫中尋找合適的“鑰匙”。

        Giulia Rossetti教授補充說道:“借助這種擴展的處理方法,我們僅通過計算機模擬篩選就能夠成功識別出兩種新型的Mpro抑制劑。通過細胞培養(yǎng)物測試,也證實了兩種物質——植物黃酮類化合物楊梅素和活性成分芐絲肼,具有一定程度的抗病毒作用。我們接下來的工作重點將放在找出像SARS-CoV-2病毒主要蛋白酶一樣,具有相似動態(tài)性的蛋白質上,進而研制出合適的抑制劑?!蹦壳吧胁淮_定這兩種物質是否能夠真正作為治療藥物發(fā)揮作用,因為潛在的活性成分通常需要數(shù)年時間才能發(fā)展成藥物。Giulia Rossetti教授最后強調:“計算機輔助建模和超快速虛擬篩選已經(jīng)幫助我們在尋找潛在活性成分上節(jié)省了大量時間。” ●

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