科学家首次在气溶胶内建立德尔塔新冠变种病毒模型

2021年5月,美国疾病控制中心(CDC)正式承认SARS-CoV-2--引起COVID-19的病毒--是空气传播的,这意味着它是通过空气高度传播的。现在,加州大学圣地亚哥分校化学和生物化学教授和捐赠主席Rommie Amaro跟美国各地和世界各地的合作伙伴一起首次在气溶胶内建立了德尔塔病毒的模型。

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这项工作入围了戈登贝尔奖,该奖项由美国计算机协会每年颁发,以表彰高性能计算方面的杰出成就。Amaro领导的团队去年因对全原子SARS-CoV-2病毒和该病毒的刺突蛋白进行建模以了解其行为方式和进入人体细胞的方式而获得该奖项。

“连续第二年入围戈登贝尔奖,这真是太好了,”Amaro说道,“但不仅如此,我们对这项工作有可能加深我们对病毒如何通过气溶胶传播的理解感到非常兴奋。这些影响可能会改变我们看待空气传播疾病的方式。”

气溶胶是微小的。一根人类头发的直径约为100微米。飞沫--想想你打喷嚏时从你的嘴巴和鼻子里喷出来的飞沫--大于100微米,并在几秒钟内落到地上。相比之下,气溶胶--仅是通过呼吸和说话产生的--是所有小于100微米的东西,其可以在空气中漂浮数小时并进行远距离传播。

大气化学杰出主席、气溶胶对环境化学影响中心(CAICE)主任Kim Prather广泛地研究了海雾和海洋气溶胶。几年前,她跟Amaro取得联系,指出这些气溶胶中的含量远远超过了海水。

Prather说道:“过去通常的想法是,海洋气溶胶只包含盐水。但我们发现有大量的海洋生物在里面,包括蛋白质和病毒。我不仅认为Rommie会对研究这个感兴趣,而且认为她的工作可以真正有利于帮助我们更好地了解气溶胶的组成和运动以及空气中的生存。”

Amaro的实验室开始利用Prather在海雾方面的工作开发气溶胶外观的计算机模型。这些模拟为Amaro和她的小组了解一般用于研究气溶胶的实验方法和工具铺平了道路,另外还开发了一个有用的框架来建立、模拟和分析复杂的气溶胶模型。

当SARS-CoV-2在2020年初出现时,她开始对该病毒进行建模并能显示出它是如何通过一种叫做糖衣的糖衣覆盖刺突蛋白来感染宿主细胞的。

气溶胶科学家一直怀疑SARS-CoV-2是通过空气传播的,因此研究气溶胶中的病毒提供了一个用证据来支持这些怀疑的机会。通过利用实验室已经在做的气溶胶工作和实验室还在做的病毒工作,Amaro将二者结合了起来。

“正是这些细小的气溶胶可以走得最远并进入肺部深处,而这可能是毁灭性的,”Amaro说道,“没有任何实验工具,没有任何显微镜可以让人们看到如此详细的颗粒,但这种新的计算显微镜让我们看到病毒发生了什么--它如何移动,它如何在飞行中保持感染性。能够看到某样东西的样子,看到各部分是如何组合在一起的,这有一种非常强大的力量--它从根本上改变了人们甚至想到要问的各种问题。”

为了更好地了解病毒如何在气溶胶内移动和生存,Amaro跟来自全球各地的52个团队合作--包括橡树岭国家实验室--使用他们的Summit超级计算机来模拟模型。Summit是世界上少数能进行这些大规模模拟的超级计算机之一,它使研究人员能够看到前所未有的10亿个原子的气溶胶。

这些模拟包括病毒膜的更复杂的细节以及气溶胶的可视化。除了SARS-CoV-2病毒之外,这些亚微米级的呼吸道气溶胶还含有粘蛋白、肺表面活性剂、水和离子。

粘蛋白是一种聚合物,在包括呼吸道在内的人体大部分潮湿的表面上排列,它们可能能起到保护病毒免受阳光等恶劣的外部因素影响的作用。Amaro的团队正在探索的一个假设是SARS-CoV-2的德尔塔变体是否更具传播性,部分原因是它似乎跟粘液蛋白的互动如此之好。

现在模型已经建立,Amaro希望正式创建一个实验以测试气溶胶病毒运动的预测。另外,她还在开发工具以研究湿度、风和其他外部条件如何影响气溶胶中病毒的传播和寿命。

除了尽可能多地了解SARS-CoV-2是如何运作的迫切需求之外,气溶胶的计算机模型可以产生广泛的影响,其中包括气候科学和人类健康。

加州大学圣地亚哥分校医学院医学系教授Robert"Chip"Schooley博士表示:“我们在大流行期间了解到的是,气溶胶是传播病毒的主要动力之一,它们在许多其他呼吸道病原体传播中的重要性一直被系统地低估了。我们对气溶胶的了解越多以及它们如何承载病毒和污染物如烟尘、对健康有不利影响,我们就越有能力创造有效的治疗和缓解措施。这有利于全世界人民的公共健康和福祉。”

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