用计算模型预测新冠疫情的未来

遏制SARS-CoV-2传播的努力可能受益于波士顿学院生物学家领导的一个团队开发的一种新的分析工具，他们报告说，他们对分子相互作用的计算机模拟可以预测病毒的突变，并有助于在病毒出现之前深入了解未来的担忧变种。

“我们通过计算来预测突变能够更好地与宿主受体结合，更好地逃避抗体，”该项目的首席研究员、波士顿学院生物学助理教授巴巴克·莫梅尼说。“这种突变可能会导致未来变体的担忧。从我们的模型中获得这些知识将有助于为检测、预防以及治疗新出现的和未来的变异做好准备。”

莫梅尼说，量子力学建模使研究小组能够对突变在传染性和免疫反应中的作用进行初步预测，并利用人类宿主细胞逃避欧米克隆和其他SARS-CoV-2变体。冠状病毒(SARS-CoV-2)的刺突蛋白与宿主细胞上的受体ACE2结合，从而使病毒进入细胞并感染细胞。结合是感染的第一步，在之前关注的变体中的几个突变已经被证明对增加刺突与人类ACE2的结合很重要。

“我们模拟了两个相互作用分子的电子结构，并评估了刺突和ACE2的氨基酸如何与它们的对应物相互作用。我们还评估了单个氨基酸的突变如何改变相互作用。”

研究人员已经部署了许多计算方法来检查spike-ACE2相互作用。Momeni说，从头算量子力学模型方法专注于电子结构，被认为是高度准确的，能够检测氨基酸残基之间的短期和长期相互作用。

新冠病毒的omicron变种被怀疑是迄今为止通过与人类结合而具有最强传染性的病毒受体根据该团队完成的一项新研究的预印本，该团队的发现表明，它可能有潜力继续进化出更强的结合，以增加传播和传染性。

冠状病毒(SARS-CoV-2)的刺突蛋白与宿主细胞上的受体ACE2结合，从而使病毒进入细胞并感染细胞。结合是感染的第一步，在之前关注的变体中的几个突变已经被证明对增加刺突与人类ACE2的结合很重要。

Momeni说:“我们使用了一个完全的量子力学模型，从理论上评估了刺突中的不同突变如何导致其与人类ACE2结合强度的增加或减少。”“建模表明，omicron与受体蛋白的结合比目前占主导地位的delta变体更强。”

除Momeni外，波士顿学院生物学教授Welkin Johnson和博士后研究员Marco Zaccaria、法国原子能机构-格勒诺布尔阿尔卑斯大学的Luigi Genovese和斯克里普斯研究所的Michael Farzan教授也为《通过自计算量子力学建模研究SARS-CoV-2欧micron变体的突变格局》报告做出了贡献，该报告可在预印主网站bioRxiv上获得。

“我们发现，omicron还没有完全发挥其结合人类宿主细胞的潜力，”Momeni说。“我们发现了可以增强病毒对人类细胞亲和力的突变，这可能会增加传染性和抗体的逃避。”他警告说，传染性的增加只是担忧变异的一个重要方面;监测症状的严重程度以及变异逃避抗体和疫苗的能力也很重要。

虽然研究发现omicron的刺突蛋白比delta变体更好地结合到人类ACE2受体上，但并非所有刺突蛋白靶向系统(称为受体结合域)的突变都有利于结合，这表明结合以外的因素也可能参与决定变体如何进化。

一种可能的解释是，这种变体已经获得了躲避宿主抗体的突变，Momeni说。这种突变可能不利于其与宿主受体的结合，随后会有额外的代偿性突变来恢复，甚至改善其与受体的结合。

Momeni说，研究小组惊讶地发现了一系列对hACE2结合有益的、中性的和有害的突变。他说，该团队的下一步是通过实验验证模型的预测。

该团队在omicron上的发现建立在该团队先前对武汉和delta变体的分析基础上。在那里，建模发现E484实际上是原始武汉菌株中的一个“薄弱环节”，但它已经通过突变进化成更好地与人类结合宿主细胞和逃避一些抗体，莫梅尼说。此外，研究小组发现蝙蝠体内武汉菌株与ACE2的结合比人类菌株更为优化。研究小组预测，进一步将E484K突变添加到delta变体中，将产生一种令人担忧的未来变体。