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平民科学家正在帮助研究人员设计新的药物来对抗COVID-19

平民科学家正在帮助研究人员设计新的药物来对抗COVID-19

利用一款名为Foldit的免费电脑游戏,研究人员正在寻求民间科学家的帮助来设计能够阻止这种新型冠状病毒感染人类细胞的药物。

HHMI的科学家们正与他们在世界各地的许多同事一起努力抗击这种新型冠状病毒。他们正在开发诊断测试,了解病毒的基本生物学,建立流行病学模型,并开发潜在的疗法或疫苗。在接下来的几周里,我们将分享其中的一些故事。

我们大多数人能做的最好的事情就是呆在家里,控制呼吸系统疾病的传播。但是任何一个有电脑的人也可以更积极地参与进来:通过帮助科学家设计对抗这种病毒的药物,这种病毒现在在全世界造成了成千上万的感染。

霍华德·休斯医学研究所研究员大卫·贝克为特定的任务量身定做了新的蛋白质。现在,他在华盛顿大学的团队正在寻找可能阻止新型冠状病毒(称为SARS-CoV-2)感染人类细胞的蛋白质,他们正在招募公民科学家通过一个叫做Foldit的免费电脑游戏来提供帮助。

世界各地的Foldit玩家竞相以数字方式解决蛋白质谜题,设计具有特定规格的分子。科学家们现在正在向玩家们提出挑战,设计一种能够粘在新型冠状病毒上并阻止其进入细胞的蛋白质。这些蛋白质可能被开发成抗病毒药物,以减轻病人症状的严重程度。

平民科学家正在帮助研究人员设计新的药物来对抗COVID-19

“我们发现众包的创意非常非常有用——如果你让100个人做一件事,他们会用100种不同的方式来做。这对我们解决蛋白质设计问题非常有价值,”Brian Koepnick说,他是贝克实验室的一位研究科学家,同时也是Foldit的负责人。

被称为氨基酸的蛋白质构建块串在一起形成长链。这些链会被压缩成更紧凑的三维结构——蛋白质的最终形状。研究人员可以预测一个链是如何弯曲的,或者逆向计算出是哪些氨基酸组合形成了特定的蛋白质结构。

贝克的团队很清楚他们要的是哪种蛋白质。和其他冠状病毒一样,引起COVID-19的病毒可以通过其“突刺蛋白”感染细胞。这种蛋白质附着在某些人类细胞上,让病毒通过外膜在细胞内繁殖。贝克说,抓住冠状病毒突刺蛋白的蛋白质可能会进行干扰,从而阻止病毒与细胞结合。

他说,找到这样的蛋白质是一项艰巨的任务。“有这么多的可能性。”细胞从20个标准氨基酸组成的工具箱中构建蛋白质。任何一种蛋白质都可以有数百种氨基酸连接在一起,形成数十亿种结构。

贝克的实验室使用定制的计算机算法来加速蛋白质的设计过程。给定一个目标形状,他们的程序返回氨基酸组合,当折叠时,可能产生类似的结果。这些算法还可以计算假设的蛋白质的稳定性,这反映了它们在现实生活中保持所提议的形状的可能性有多大。Foldit游戏和这个电脑程序一起工作,但是让人类来控制。玩家可以从头开始构建一种蛋白质,并在前进过程中对其进行调整,以达到设计标准,同时争取最高的稳定性分数。

资料来源:霍华德·休斯医学研究所

“我们正在寻找人类和计算机合作解决这个问题的方法,而不是仅仅依靠其中一个的力量,”Koepnick说。人类具有计算机所缺乏的独创性和设计感。自2008年以来,他和他的同事们已经向数十万Foldit玩家提出了近2000个不同的蛋白质设计难题,当时这款游戏是由贝克的实验室推出的。

贝克说:“我们发现,Foldit的玩家真的可以做出令人惊叹的设计,就像预测的那样折叠。”“我们非常期待Foldit的玩家们为COVID-19做出什么贡献。”

每个蛋白质谜题通常会开放一个星期左右。Foldit团队在过去的一个月里发布了几轮关于冠状病毒的谜题,随着有关病毒的新信息的到来,更新了玩家的指南。

贝克说,已经有一些设计看起来很有前途。但并不是所有在电脑屏幕上看起来不错的蛋白质在现实生活中都能发挥作用。该团队正在进行更多的计算测试,他们计划在实验室中研究特殊的解决方案(虽然华盛顿大学的实验室大多已经关闭,但COVID-19的研究仍在进行,并为工作人员做好了预防措施)。

他的团队已经成功地使用了类似的策略来设计流感病毒抑制剂。“一般来说,冠状病毒的变异似乎比流感病毒少,”贝克说。“所以这让他们更容易成为目标。”尽管如此,他警告说,他的实验室的贡献只是通向药物的漫长旅程的第一步。他们将通过筛选测试的蛋白质发送给其他同事,这些同事将在培养皿中培养的细胞上测试这些蛋白质,也许最终会在实验室动物和人类身上测试。

在解决像冠状病毒谜题这样的开放式设计挑战之前,可能需要一些练习。但贝克说,最终,Foldit的玩家并不需要成为生物学专家来玩游戏和设计潜在的药物。就像大多数的智力游戏一样,它所需要的是坚持不懈和一点独创性。

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