2 月底前，全球新型冠狀病毒肺炎（COVID-19）確診病例已超過8萬例。
為了幫助開發治療方法及疫苗，德克薩斯大學奧斯汀分校（University of Texas at Austin）和美國國立衛生研究院（NIH）研究人員最近取得了一項重大突破 — 繪製出了該病毒的首個 3D 原子尺寸結構圖。
研究人員在最新發表於《科學》雜誌的一篇論文《預融合前構形的新型冠狀病毒棘蛋白的低溫電子顯微鏡結構》中指出：“ 新型冠狀病毒利用（S）棘蛋白質-高度醣化的蛋白質進入宿主細胞。新型冠狀病棘醣蛋白質疫苗、治療性抗體和診斷方法的關鍵目標。”
德州大學奧斯汀分校（UT Austin）副教授 Jason McLellan 是這項研究的負責人。多年來，他一直在研究其他冠狀病毒，包括 SARS 和 MERS。最近的一篇文章《疫苗設計新路線圖中的冠狀病毒研究突破》指出，此前的研究經驗使他的團隊在發現新病毒關鍵特徵時具備了一定的優勢。
此圖為新型冠狀病毒棘蛋白的 3D 原子尺寸結構圖或分子結構。這種蛋白質具有兩種不同的形狀，這被稱為構形：一種是感染宿主細胞之前的形狀，另一種是感染過程中的形狀。該結構是感染細胞之前的蛋白質，被稱為融合前構形。圖片來源：Jason McLellan / Univ，德克薩斯州奧斯汀分校（Univ. of Texas at Austin）
為了獲得這個全新的深層圖像，研究人員採用了榮獲諾貝爾獎的冷凍電子顯微術（cryo-EM）技術對蛋白質結構進行成像。為此，科學家準備了許多病毒分子拷貝並將這些拷貝冷凍在一層薄冰中，然後將冰放在電子顯微鏡下成像，從而創建出超過 10 萬張分子 2D 投影圖像。研究小組隨後使用 GPU 加速軟體 cryoSPARC 解析整個分子的 3D 密度圖像。
cryoSPARC 由位於多倫多的新創企業 Structura Biotechnology 開發。該公司的創立源於多倫多大學的一項研究項目。
該應用將 CUDA 和 CUDA 函式庫與 NVIDIA V100 GPU 相結合，同時還使用了本地和雲端服務供應商所提供的 NVIDIA T4 GPU。
McLellan 和他的團隊共花了 12 天的時間將原始樣本轉化成原子尺寸結構圖。
CryoSPARC 3D 變異性分析側視圖使研究人員可以從側面沿病毒膜查看新型冠狀病毒三聚體。
該軟體可以幫助學術研究人員和製藥公司快速復原 3D 蛋白質結構，從而消除新藥研發過程中的一些不明因素。該公司表示，他們的軟體已被超過 400 家機構使用，包括加利福尼亞大學柏克萊分校（University of California, Berkeley）、兒童醫院（Hospital for Sick Children）以及其他大型結構生物學實驗室。
研究人員解釋說：“有了新型冠狀病毒的結構後，應該就能迅速開發和評估治療方案，解決正在持續發展的公共衛生危機。”
圖中左邊這位是分子生物科學副教授 McLellan，右邊這位是研究生 Daniel Wrapp。他們在德克薩斯大學奧斯汀分校的 McLellan 實驗室工作。來源：德克薩斯大學奧斯汀分校。
在接下來的工作中，McLellan 計劃使用該分子從感染了冠狀病毒並成功康復的患者中分離出天然抗體。
研究人員在其文章中解釋說：“如果這些抗體的數量足夠多，那麼就可以幫助治療剛接觸冠狀病毒不久的感染者。”
要了解有關該項目背後的技術的更多訊息，請觀看 Structura Biotechnology 執行長暨聯合創辦人 Ali Punjani 進行的針對藥物發現的 Cryo-EM 網路研討會。