利用超级计算机发现125种可能对抗COVID-19的天然化合物

2020年6月22日讯 /生物谷 BIOON /——美国阿拉巴马大学亨茨维尔分校(UAH)的Baudry实验室从超级计算机快速评估的首批5万种天然化合物中鉴定出125种具有抗COVID-19病毒的潜力的化合物。这是首次使用超级计算机评估天然化合物对COVID-19产生的蛋白质的治疗效果。该实验室位于UAH的Shelby科技中心，目前正在使用惠普公司(HPE)

2020年6月22日讯 /生物谷 BIOON /——美国阿拉巴马大学亨茨维尔分校(UAH)的Baudry实验室从超级计算机快速评估的首批5万种天然化合物中鉴定出125种具有抗COVID-19病毒的潜力的化合物。
这是首次使用超级计算机评估天然化合物对COVID-19产生的蛋白质的治疗效果。该实验室位于UAH的Shelby科技中心，目前正在使用惠普公司(HPE)的Cray Sentinel超级计算机寻找药物的潜在前体，以帮助抗击这场全球大流行。
UAH团队是由分子生物物理学家Jerome Baudry博士，他是生物科学系Pei-Ling Chan主席。Baudry博士使用HPE的Cray Sentinel系统将他的COVID-19研究历程视频发布在博客上。他的研究与密西西比大学药学院、HPE以及国家天然产品研究中心合作。
图片来源：The Baudry Lab
"我们已经使用超级计算机来预测最可能与三种SARS-CoV-2病毒蛋白质结合的自然产物，"Baudry博士说。SARS-CoV-2是导致COVID-19的一种病毒。
他说："在我们使用超级计算机研究的5万种天然产物中，我们发现有几百种可能与感兴趣的蛋白质结合。我们进一步发现了125种--但可能还有更多--这特别有趣，因为它们能在我们感兴趣的地方结合，它们既不太大，也不太小，而且具有药物的化学特征。"
Baudry博士说，我们感兴趣的化学物质有许多不同的天然来源。
"很多都是从美国常见的药用植物中提取的，还有许多来自更远的东南亚和南美洲的植物，以及一些地面和海洋的细菌菌株和真菌。"
有希望的化合物将经历一种称为药效团分析的计算技术，以发现这些化学物质的共同之处，并标记出对未来研究重要的化学特征。
这些化合物的下一个阶段研究是由合作实验室使用活病毒和活细胞进行体外测试。那些被发现最有效的化学分子将成为未来药物研究和开发过程的基础，包括在人体试验中测试药效、耐受性和副作用。这个过程可能还包括化学修饰，以使药物更有效、更耐受性或两者兼而有之。
"也许我们需要鸡尾酒疗法，就像许多抗艾滋病疗法一样。但是每一种药物在漫长而曲折的研发和测试过程中存活下来，都是从与蛋白质结合开始的。我们在这里用超级计算机模拟的正是这个初始事件。"Baudry博士说。"通常这需要很长时间和大量资金来实现，但有了超级计算机，我们可以更快更便宜地完成这个最初的发现步骤。对于COVID-19，一切都在加速，所以可能需要长达十年的整个过程可能会缩短。"
根据Baudry实验室研究员Kendall Byler博士的说法，更多的药物正在准备进行超级计算机测试。Byler博士在使用计算方法进行天然产物研究方面经验丰富。
Byler博士说："实际上，我们想测试的化合物超过40万种。"
阻止蛋白质
在第一批试验中，科学家发现天然化合物可能与两种重要蛋白质结合，即COVID-19的类木瓜蛋白酶(PLpro)和主要蛋白酶(Mpro)。这些蛋白质是来自病毒基因组的酶，负责处理被感染细胞中的所有病毒蛋白质。被感染的细胞被迫制造它们，以便病毒能够复制。
"如果我们能阻止这些病毒蛋白在细胞内自我组装和执行它们的功能，那么尽管我们可能不能拯救一个受感染的细胞，但我们将阻止病毒复制，它将与那个细胞一起死亡。如果我们发现一种化学物质粘在蛋白质的这些反应区域，处理反应将不再可能，我们将阻止受感染细胞制造和释放更多的病毒。"
第三种有趣的蛋白质是COVID-19的刺突蛋白，它是病毒附着在细胞上启动感染过程的关键蛋白。这种刺突蛋白存在于病毒表面，使病毒具有典型的冠状外观。它与细胞表面一种叫做ACE2的蛋白质结合，开始感染过程。
Baudry博士说："我们正试图找到一种化学物质，可以与病毒的刺突蛋白表面结合，防止它与细胞的ACE2结合。"
图片来源：Michael Mercier
在最初一批模型中，科学家们发现了可以结合刺突蛋白的24种化合物、可以结合主蛋白酶的41种分子和可以结合PL-pro蛋白酶的60种化合物。
人工智能与古代知识
Sentinel超级计算机位于德克萨斯州的微软Azure数据中心，它使工作速度比以往任何时候都更快，一个HPE团队正在帮助实现这一点。Baudry博士的UAH团队可以通过微软Azure的云访问Sentinel的强大功能。
Baudry博士说，Sentinel有助于将化合物检测时间从数月甚至数年缩短至数周。这台超级计算机的运算速度相当于地球上所有人每秒运算2万次的速度，它的存储容量可以存储45年以上的高清视频。
Baudry说，防止COVID-19有时造成毁灭性的健康后果的斗争，使现代高能力人工智能与人类最古老的治疗知识重新相遇。
"即使在5年前，这也是不可能的，"他说。"对我们来说，幸运的是，这种非常先进、非常快速的计算能力在我们非常需要它的时候出现了。" （)
参考资料：
Lab finds 125 naturally occurring compounds with potential against COVID-19