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    地球最快超算:筛选出77种可能成为新冠药物分子

      [  中关村在线 原创  ]   作者:王征   |  责编:王征

    如果您仔细看西药的说明书,会发现有效成分就是一个分子。那么如何找到适合治疗某种疾病的分子呢?根据科学家估算,可能的有机物大约有10的60次幂之多,如何从无数的可能分子中找到潜在成为药物的分子,成为今天计算机领域的前沿课题。超级计算机可以模拟分子在人体内复杂的生化过程,进而选出有希望成为药物的分子,进行进一步的研究和实验。

    美国能源部橡树岭国家实验室的研究人员,已经使用了世界上最强大,最智能的超级计算机Summit来演算77种小分子药物化合物,这些化合物可能需要进一步研究以对抗SARS-CoV-2冠状病毒,用于COVID-19疾病暴发。两位研究人员在Summit超级计算机上对8,000多种化合物进行了模拟,以筛选出最有可能与冠状病毒主要“刺突”蛋白结合的化合物,从而使其无法感染宿主细胞。他们对可能在该病毒的实验研究中有价值的感兴趣的化合物进行了排名。研究者们在ChemRxiv上预发表了他们的结果。

    地球最快超算:筛选出77种可能成为新冠药物分子
    美国能源部橡树岭国家实验室的Summit超级计算机

    这个想法是出于对冠状病毒进入宿主细胞的切入点的兴趣而产生的。当研究人员对该病毒进行测序时,他们发现该病毒通过一种与严重急性呼吸系统综合症(SARS)相同的机制感染人体,该病毒在2003年SARS流行期间扩散到了26个国家。这两种病毒的结构相似促进了对新病毒的研究。

    田纳西大学州长兼UT / ORNL分子生物物理中心主任杰里米·史密斯(Jeremy C. Smith)的假设是,两种病毒甚至可能以相同的方式“对接”至细胞。小组成员和UT / ORNL CMB博士后研究员Micholas Smith基于对该结构的早期研究,建立了冠状病毒刺突蛋白(也称为S蛋白)的模型。

    该化合物以灰色显示,经计算可与以青色显示的SARS-CoV-2刺突蛋白结合,以防止其与紫色显示的人类血紧张素转化酶2或ACE2受体对接。图片来源:Micholas Smith /美国能源部橡树岭国家实验室

    “我们能够基于最近才在该病毒文献上发表的信息来设计全面的计算模型,” Micholas Smith指的是一项研究发表在《中国生命科学》上的研究。在通过主任的全权分配分配给Summit的计算时间后,Micholas Smith使用了化学模拟代码来进行分子动力学模拟,从而分析蛋白质中原子和粒子的运动。他模拟了对接于冠状病毒S蛋白刺突的不同化合物,以确定它们中的任何一种是否都可以防止该刺突粘附在人类细胞上。

    Micholas Smith说:“使用Summit,我们根据一组与它们结合S蛋白峰值的可能性有关的标准对这些化合物进行了排名。”研究小组发现了77种小分子化合物,例如药物和天然化合物,我们怀疑这些化合物可能对实验测试有价值。在模拟中,这些化合物会结合到对人体细胞很重要的刺突区域,因此可能会干扰感染过程。在《科学》杂志上发布了高度精确的S蛋白模型后,研究小组计划使用新版本的S蛋白再次快速运行计算研究,这可能会改变可能最常用的化学药品的等级。研究人员强调必须对77种化合物进行实验测试,然后才能确定其可用性。

    地球最快超算:筛选出77种可能成为新冠药物分子
    能源部橡树岭实验室,长期拥有世界最快超算

    “需要领导会议来迅速获得我们所需的仿真结果。我们花了一两天的时间,而在一台普通超级计算机上要花上几个月的时间,”杰里米·史密斯说。 “我们的结果并不意味着我们已经找到了治疗新型冠状病毒的方法。但是,我们非常希望,我们的计算结果将为将来的研究提供参考,并为实验人员提供用于进一步研究这些化合物的框架。只有到那时,我们才知道它们中的任何一个是否都具有减轻这种病毒所需的特征。”计算之后必须进行实验。杰里米·史密斯(Jeremy Smith)说,计算筛选实质上是对有希望的实验研究候选人“高亮”,这对于验证某些化学物质能对抗病毒至关重要。使用诸如Summit之类的超级计算机对于快速获得结果很重要。这项研究由实验室指导研究与开发计划资助,并使用了OLCF的资源,OLCF是位于ORNL的能源部科学用户设施办公室。

    由IBM建造的Summit超级计算机,95%的算力都来自nVidia的Volta GPU,这是Summit登顶Top500超算排行榜的关键。

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