AI一小時預測出奧密克戎變體結構，誤差僅半個原子直徑

金磊 發自 凹非寺
量子位 報導 | 公眾號 QbitAI

就在這兩天，“天津迎戰新冠變異病毒奧密克戎 （Omicron）”引發了高度關注。

奧密克戎最早發現於南非，並且席捲了大半個世界，在被發現時已經傳播三代。

天津作為此次防疫“主戰場”，截至昨日12時，已經累計97例陽性。

抗擊疫情，刻不容緩。

而與此同時，全球科學家對奧密克戎的研究也沒有停滯。

來自北卡羅來納大學夏洛特分校的Colby Ford研究團隊，便在近日釋出了其最新研究成果：

利用AI技術，幾乎準確地預測了奧米克戎的複雜結構。

他們的工作可以說是“站在巨人的肩膀上”，具體而言，就是利用 AlphaFold2和RoseTTAFold，由此預測出了3D蛋白質結構。

在論文中，Ford對研究結果是這樣總結的：

奧密克戎受體結合域（RBD）的一些結構變化，可能會減少抗體相互作用，但不會完全避開現有的中和性抗體。

簡單來說，就是現有疫苗對奧密克戎病毒有用，但由於其結構的改變，降低了抗體的識別能力。

這就能解釋，為何現有的奧密克戎感染病例中有已經打過疫苗的患者了。

但這項研究所提供更深遠的意義，正如《連線》雜誌評價的那樣：

可以為未來的藥物指明方向。

AI一小時預測奧密克戎結構

關於這項研究，還得追溯到去年的11月27日。

當日凌晨，世衛組織將這個新冠“最凶變種”正式命名為Omicron。

而就在第二天，不列顛哥倫比亞大學（UBC）的Sriram Subramaniam 便火速下載了釋出在網上的基因序列組，還安排把奧密克戎的DNA 樣本運送到實驗室中。

他們想採用的方法是通過顯微鏡來揭示奧密克戎的蛋白質3D結構。

與此同時，Colby Ford也在密切關注著這件事情。

也是在世衛組織正式命名的前後腳，他嘗試用免費的AI軟體，從奧密克戎基因組編碼的氨基酸序列中預測其結構。

僅僅1小時之後，Ford便得到了他的第一個結果，並且很快將它們釋出到了網上。

Subramaniam則是在12月21日，發表了他們通過顯微鏡得到的結果。

最終結果表明，Ford用AI技術預測的2個蛋白質結構中，有一個被證明是與Subramaniam真實觀測結果高度接近——

中心原子的位置誤差只有約半埃（大約是氫原子的半徑）。

不過Ford認為，對於新冠這類病毒，研究上的時效顯得格外重要，畢竟其傳播的凶猛程度也是有目共睹的。

至於Ford所採用的AI方法，也正如剛才提到的，是基AlphaFold2和RoseTTAFold。

整體而言，他的研究主要包含三大方面。

第一步，是監測變種 （VBM）和關切變種 （VOC）的序列比較。

Ford團隊下載了新冠病毒的參考基因組，以及各種VOC和VBM的前100個全基因組序列。

對這些基因組再進行一個“對齊”和“修剪”的工作，最終留下了1026條序列。

基於此，Ford對這1026條序列進行“註釋”，再根據序列相似性確定了該序列上的受體結合基序。

然後，他們用MEGA11.0.10版計算每對序列之間的成對p-距離，再使用標準翻譯表將尖峰蛋白的這個變體核苷酸序列翻譯成氨基酸。

最終對該序列進行修剪，使其只包含穗狀蛋白的RBD（第319至541位）。

第二步，是RBD的結構預測。

Ford在這一步中，基於上面得到奧密克戎衍生RBD氨基酸序列，使用AlphaFold2和RoseTTAFold建立了預測的3D蛋白質結構。

基於AlphaFold2的預測，是在 “單一序列 “模式下使用PTM方法（predicted TM-score）執行。

而基於RoseTTAFold的預測，則是用 “mmseqs2 “模式執行的。

這兩個系統都產生了奧密克戎的預測RBD結構，以及圍繞多序列比對覆蓋率、預測比對誤差（PAE）和預測置信度（pLDDT）等指標。

第三步，是 中和抗體相互作用模擬。

在這個步驟中，Ford團隊基於上面得到的奧密克戎RBD預測結構，模擬了與四個現有中和抗體結構的相互作用（分別為C105, CC12.1, CC12.3, and CV30）。

在這個過程中，他們只使用抗體結構的一個單片段抗原結合（Fab）區域，作為對接的位置。

接下來，他們用到了生物分子建模軟體HADDOCK，來預測RBD表位與中和抗體結構的副體之間的結合親和力。

最後，Ford團隊將實際複合物（即真正的RBD結構和Fab）與奧密克戎的預測RBD結構（有相同的Fab）的指標進行了比較。

……

而從實驗結果上來看，現有的中和抗體可能仍然會與奧密克戎變異的突變刺突蛋白結合。

然而，與參考RBD結構相比，奧密克戎的RBD對中和抗體的親和力似乎降低了。

AlphaFold2和RoseTTAFold的結果都表明，以前感染的抗體至少會對奧密克戎提供一些保護。

而也正因如此，加之此次奧密克戎患者的症狀並沒有此前德爾塔那般嚴重，許多人都把它比作“大號感冒”。

但事實是否真的如此呢？

張伯禮：奧密克戎並非“大號感冒”

也就在天津這兩天天津疫情被高度關注之際，國內專家已經站出來對“大號感冒”的說法做出瞭解釋。

國家傳染病醫學中心主任張文巨集認為：

對於已經獲得免疫力的人來講，它是個“大號流感”。

如果你的免疫力不夠強大，奧密克戎不是“大號流感”；如果沒有很好的醫療資源，奧密克戎是會“咬人”的。

中國工程院院士張伯禮也表示：

奧密克戎和“大號流感”並不一樣，在國外大概有百分之五六十的病人出現了持續症狀或後遺症，但一般的流感不會出現這麼多。

而就在最近，世衛組織也對奧密克戎發出警告，稱“儘管其毒性可能較弱，但不能低估了它”。

甚至還做出了“或在6到8周內感染半數以上歐洲人”的預測。

因此，做好防疫措施依然是重中之重。

對此，汕頭大學病毒學專家常榮山建議，“沒有準備N95或KN95口罩的天津市民，外出時應當戴雙層外科口罩，或在布口罩外面套戴一個外科口罩增強密閉性”。

他表示：

疊加兩個口罩的保護效果為90%，即可以減少90%的傳染概率，而單個口罩的效果則為70%。

參考連結：

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