为击败Covid-19，科学家试图“看到”隐形敌人

土司

罗米·阿玛罗在上个月几乎没有睡觉，她的声音嗡嗡作响，这位加州大学圣地亚哥分校的生物物理学家在过去的几周中，带领她的国际研究团队一直在努力工作，以提供一种强大的新工具来对抗全球病毒大流行。他们正在创建一个移动的新冠肺炎病毒数字复制品（使用超级计算机进行模拟），以力求精确到微生物的单个原子。

通过详细可视化冠状病毒的行为，阿玛罗希望确定其结构的漏洞，然后研究人员可以利用这些漏洞来开发预防感染的药物或疫苗。“一旦知道病毒的工作原理，就可以从战略上使其停止运行。” 阿玛罗说：“要使高速的汽车停下，就要给轮胎放气！”

借用超级计算机模拟病毒程序

阿玛罗小组通过远程登录位于奥斯汀的德克萨斯高级计算机中心的超级计算机Frontera，建立了逐个原子的仿真程序。他们正在努力模拟病毒的整个外部结构，该结构包括脂肪膜和位于其表面的蛋白质。

随着其他研究人员发布新数据，团队不断完善他们的模拟。4月初，在英国研究人员发布有关冠状病毒表面装饰的糖分子的新细节之前，他们拥有了“一种基本可以运行的模型”，然后团队急于整合新数据，“这无疑是迄今为止我一生中最激动人心的科学时刻。” 阿玛罗说。

阿玛罗小组完成的模拟将描绘2亿个原子的运动，这是一个很小的数据，比如一粒盐就含有1000亿倍的原子。另一方面要模拟的运动部件很多，他们的目标是跟踪病毒表面上任何不稳定的球体中每个单独原子的运动。为了达到这种详细程度，他们在超级计算机中使用了多达250000个处理内核（要知道，一般家用笔记本电脑CPU最多才8个内核），由此产生的模拟结果有助于科学家更好地理解病毒如何从呼吸道进入并侵入健康的肺细胞。

小知识

SARS-CoV-2和Covid-19的称谓

世界卫生组织正式发布的通告，将新型冠状病毒感染的肺炎正式命名为“2019冠状病毒病”（Covid-19）。可能很多人第一次看到这一串英文和阿拉伯字符有些懵，首先来看英文字符的部分，Covid是冠状病毒的英文词组缩写，其含义为“CO”代表Corona（冠状），“VI”代表Virus（病毒），“D”代表Disease（疾病），“19”代表疾病发现的年份2019年。由于引发该肺炎的冠状病毒与引发SARS的冠状病毒具有高度亲缘性，该病毒被命名为“SARS-CoV-2”。

为病毒制作“画像”

模拟计算将有关冠状病毒结构的大量研究整合为一个内聚模型，在短短几个月内，这项研究已经取得了很大进展。最初，科学家对SARS-CoV-2的外观只有一个大概的想法，部分是从他们对相关冠状病毒（例如第一种SARS病毒，正式称为SARS-CoV）的了解中得出的。那时，疾病控制中心委托官方对这种新型病毒进行了描述，这种病毒现在带有红色丘疹的皱纹灰色球的图像，即病毒用来进入人体细胞的刺突蛋白。

每个病毒颗粒都不相同，现在研究人员已经观察到某些病毒颗粒呈球形，而另一些则呈卵形。它们的大小各不相同，直径范围为80到160纳米，并排排列，将近1000种冠状病毒均是这个宽度。

此外该病毒的包膜实际上不是灰色的，其尖峰也不是红色的——病原体太小而没有颜色。人类所感知的颜色主要是光波从物体表面反射或吸收的结果，但是冠状病毒比可见光本身小。它的直径比紫色光（最短波长的可见光）的波长范围窄约三倍。

药物和疫苗设计需要更加科学精确的图像，研究人员将微生物放大了40000倍以上，对它们进行了极端特写以了解其结构的复杂性。例如今年2月，得克萨斯大学奥斯汀分校的生物学家杰森·麦克莱伦及其团队发布了冠状病毒刺突蛋白的高倍3D图像。

研究小组没有研究与野生病毒连接的蛋白，这种刺突蛋白附着在真实病毒的表面。取而代之的是，他们重新创建了该病毒基因组的一部分，该基因组的一部分已于1月11日在中国公开发布。该团队将这些基因插入培養的人类胚胎肾细胞中，然后产生了这些刺突蛋白。他们提取了这些蛋白质并进行了成像。

麦克莱伦的团队使用一种称为“冷冻电子显微镜”的方法对蛋白质的峰进行了成像，在该方法中，他们向冷冻的电子束发射了一束电子，让单个蛋白质紧贴细网。以光速行进的电子从蛋白质的原子反弹到检测器上，在检测器上形成图像。研究人员重复这一过程，在网格上创建了成千上万的蛋白质图像，所有图像都朝向不同的方向，然后可以使用算法来尝试重新创建可以给出所有不同视图的对象。

重新启用的X射线晶体学

还有一些研究人员使用X射线晶体学的方法来研究病毒的结构，在这种方法中，他们获取了所述生物分子的多个副本，并将它们排列成整齐的行以形成晶体，然后从透射的X射线形成的阴影和亮度区域推断病毒的结构。

阿玛罗小组正在将这些方法的各种结果拼凑在一起，以模拟整个病毒的外观。利用数据来源，例如麦克莱伦的尖峰图像，X射线晶体学结果和其他测量结果，包括已经发布的尖峰蛋白的动态模拟。

这种蛋白质被糖类包裹着，被称为聚糖，由于健康的人类细胞被相同的聚糖所覆盖，因此糖类会掩盖人类免疫系统中的病毒：他们称其为“糖盾”。实际上，只有蛋白质的最顶端缺少这种含糖的伪装，小的裸露部分科学家在仿真中将其着色为灰色。药物开发人员也许可以使用阿玛罗的模拟来设计一种分子，该分子通过附着在裸露的灰色尖端上来解除病原体的武装。研究表明，该病毒的主要武器也许也是其致命弱点。

研究人员特别专注于研究刺突蛋白，因为他们认为这是预防感染的关键。但是关于新冠肺炎病毒行为的其他奥秘仍然存在。特别是，科学家希望更好地了解病毒在开始感染时首次遇到人类细胞会发生什么，为此，阿玛罗的团队计划在病毒接近模拟宿主细胞的一部分时对其运动进行建模。她说：“仍然有很多未解决的问题，但进一步的研究希望让这个看不见的敌人能彻底暴露。”