研发新冠病毒疫苗，高机能计较“显身手”

 
 
研发新冠病毒疫苗，高机能计较“显身手”  
 

对付包罗新型冠状病毒在内的医学研究，我其实是“外行人”，可是因为从事高机能计较这个行业，认识许多利用高机能计较的应用专家，个中包罗生物、化学和医学的专家，所以有时机从门外一窥他们的事情。

利用生物信息学找到病毒来历

对病毒举办基因测序，并操作测序功效，回收生物信息学的要领来比对和查找，找到病毒来历以及流传的最或许率宿主。

这个中，“生物信息学要领比对和查找病毒来历”部门需要计较资源。

要获得正确的功效，最重要的照旧科学家回收科学严谨的要领来做事情，高机能计较设施可以或许加快这一进程。

这个进程中大概需要跑BLAST措施。BLAST主要用来寻找同源序列，另外还大概要用到基因组组装，多序列比对，进化阐明相关的软件。

生物信息学相关软件很是很是多，我们在北京大学高机能计较民众平台上安装过一百多个，但在这个问题中科学家详细用哪些，与科学家的事情习惯干系很大。

今朝，病毒的序列都已经是果真的，病毒的简朴序列比对耗损的资源并不多，在线数据库就能做。

可是要做巨大具体的研究，照旧必需要有高机能算的情况来加快。想必此刻已有大量科学家如此开展事情。

2019新型冠状病毒资源库（）已经发布。

可是今朝还没有完全确认病毒来历，所以序列比对的事情还要继承。

利用超算加快病毒疫苗可能特效药的研制

现代制药一般首先是搞清楚病毒的布局，然后再研究什么样的小卵白分子可以或许与病毒团结，使病毒失去成果。

获知病毒布局

要获知病毒布局，常见有两种要领。

第一种要领是，通过基因测序功效搞清楚布局。

这种要领主要靠“猜”，但要利用统计的要领担保“猜”的功效较量靠谱。一般而言，对卵白质布局预测“猜”的要领主要有两个途径。

一个途径是从新模仿，今朝Google的人工智能措施AlphaFold或许是揣摩卵白质布局最好的要领。

练习AlphaFold利用了相当大的算力，虽然最主要照旧设计AlphaFold的想法。

另一个途径就是按照序列上雷同的卵白直接举办同源建模，序列相似性越高布局模仿靠得住性就越高。这方面的软件许多，常用的如swiss-model和I-TASSER等。

新冠病毒的基因序列和SARS等同源病毒的序列同源性很是高。

这些同源病毒都已经有高判别率的布局，新冠病毒可以按照SARS病毒的布局举办布局预测，所以从新模仿（第一个途径）大概用得不多。

用AlphaFold等做卵白质布局预测需要得到卵白质序列，一般可得到的是基因序列。

从基因序列也可以得到卵白质序列，所以操作AlphaFold获患病毒布局也是大概的。

第二种要领是，通过成像技能获知病毒布局。

成像技能是搞懂生物微观根基布局的最主要要领。

常用的阐明卵白布局成像技能主要分三类：核磁共振、冷冻电镜和X射线晶体学要领，且三种要领各有合用范畴。

X射线晶体学要领最近有一个较好的功效，这里简朴先容一下。

近几年冷冻电镜破解布局相对热门，最近还拿了诺贝尔奖。

不外，利用冷冻电镜技能，病毒的造就、提纯和制样需要一按时间，没有测序那么快，不外一旦制样完成后就可以成像（照相片）和重建（通过照片算三维布局）了。

在这进程中，高机能计较可以或许加快三维布局的重建，主要用到RELION软件。冠状病毒整体分子量较大，很是适合操作冷冻电镜要领对这个病毒的布局举办重建。

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利用X射线得到的新冠病毒构成卵白之一的布局也有人给出，上海科技大学和中国科学院上海药物研究所连系研究团队发布的“新型肺炎冠状病毒3CL水解酶高判别率晶体布局”就是这种要领。

一般X射线晶体学要领举办布局理会要先对卵白质举办纯化、结晶，需要必然的时间。

所以在如此短的时间内就就做出个中一个卵白的布局很不容易，为他们点赞！

找到可以或许让病毒卵白质分子失效的小分子

小分子药物可竞争性地团结病毒卵白质的成果位点，这样一来病毒卵白质就不能和它真正的底物团结，从而抑制病毒卵白质的活性。

Autodock是一个较量普遍利用的要领，今朝约莫有700万个小分子的小分子库。

每个小分子，要通过各个角度与卵白质团结来调查能量释放环境，团结之后释放能量越多，团结就越不变，那么这个小分子就越有大概做成药物。

这个中的计较任务不是很大，可是需要的计较总量很大，任务极其多，利用高机能计较（HPC）可能高通量计较（HTC）要领较量符合。

此刻应该也有许多组在做这个事情，中国科学院上海药物研究所和上海科技大学连系研究团队发明一批大概对新型肺炎有治疗浸染的老药和中药，就是这方面的事情。

别的，通过计较的要领找到一批大概的小分子后，接下来就是生化尝试，以确定计较软件找到的对象是否真的可用。

今朝疫苗的研发应该照旧研发周期的问题，思量到安详性试验，需要较长的时间。从一个外行的角度看，此刻环境非凡，也许速度会快一些。

事实上此刻没有任何一种冠状病毒的疫苗，不管新的旧的，包罗S卵白（S卵白是病毒入侵的要害卵白）入侵的分子布局机理都是不清楚的。

搞清楚这些进程也许需要成像技能（冷冻电镜）与分子动力学（MD）配合浸染。

成像技能中大多用冷冻电镜，分子动力学用NAMD、gromacs等模仿软件。这些分子动力学软件运行一般也需要高机能计较平台。

不外，冷冻电镜做动力学进程很是坚苦，因为纵然静态的成像，所用到的数据量和已经很是大，相应的的算力要求已经很是高。

(这篇文章在利用冷冻电镜做动力学进程规模做了一些摸索：https://www.nature.com/articles/s41586-018-0736-4）

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