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冠状病毒可能有薄弱环节——机器学习可以帮助找到它们

冠状病毒可能有薄弱环节——机器学习可以帮助找到它们

从化学角度来说,蛋白质可能是最复杂的分子。数以百万计的不同种类的细菌生活在我们的细胞中,它们像一个调好的管弦乐队一样协同工作,催化着维持我们生命的生化反应。

世界上几乎没有什么东西在没有蛋白质的情况下能够正常运转——你体内的细胞是如此,导致COVID-19的冠状病毒SARS-CoV-2肯定也是如此。

冠状病毒中的蛋白质增强了其感染人类细胞的能力,而不会在很长时间内导致明显的COVID-19症状。这就是为什么世界各地的研究人员一直在研究SARS-CoV-2内的29种蛋白质的作用。

通过在分子水平上更多地了解这些蛋白质,研究人员希望确定SARS-CoV-2蛋白质的确切部分,使其能够与人类细胞表面的其他蛋白质结合,并使病毒能够复制。其目的是从一开始就抑制这些化学反应,使冠状病毒失效。

为了分析这些蛋白质之间的相互作用,东北大学的研究人员带来了另一套工具,用于研究冠状病毒的蛋白质,研究它们的氨基酸,氨基酸是所有蛋白质的组成部分。

Mary Jo Ondrechen是一位化学和化学生物学的教授,她想要鉴定出所有的氨基酸,这些氨基酸能够使冠状病毒以损害人类细胞为代价进行感染和繁殖。最近,Ondrechen与化学和化学生物学教授Penny Beuning一起,获得了美国国家科学基金会(National Science Foundation)的资助,使用机器学习算法和实验实验室工作来完成这项工作。

蛋白质是长链的分子,通过与氨基酸的连锁作用形成其他蛋白质。但这些相互作用并不总是发生在蛋白质结构中蛋白质进行化学反应的相同位置。通常,虽然相互作用发生在该位点之外,但它们仍然控制着反应。蛋白质中的特定位点也可以控制不同蛋白质的作用,帮助或阻碍特定的化学反应。

由这些相互作用的网络或阻止相互作用引起的蛋白质行为的变化被称为变构调节。Ondrechen的算法基于蛋白质的特定分子结构预测了许多这样或那样的相互作用。

她和Beuning领导的研究可以帮助研究人员更好地了解SARS-CoV-2的生物化学,并作为开发新药抑制其传染能力的基础。

冠状病毒可能有薄弱环节——机器学习可以帮助找到它们

世界各地的研究人员一直在争相开发新的化合物,这些化合物有望通过与冠状病毒的主要活性蛋白质相互作用来抑制冠状病毒。

尽管如此,科学家们才刚刚开始了解许多冠状病毒的蛋白质。而且,Ondrechen说,在那些知之甚少的蛋白质中,可能有一些研究人员没有注意到的位点。

2009年,昂德雷琴的实验室发明了这个程序,它可以分析蛋白质中每一种氨基酸的化学性质。它可以预测SARS-CoV-2中重要但微妙的相互作用的作用,这些作用涉及的氨基酸与主要的反应位点没有直接联系,这将很难用传统的生物信息学研究来分析。

“在主要蛋白酶中,每个人都知道催化位点在哪里,在RNA转移酶中,每个人都知道催化位点在哪里,”Ondrechen说。“我们的技术很特别,因为我们可以预测外位点、变构位点以及其他可以控制的结合位点或相互作用位点。”

该项目将把这些预测与数据库进行比对,数据库中包括数万种具有抗病毒特性的化合物和食物中发现的化合物,所有这些都是为了寻找可能击中蛋白质相互作用的预测位点的蛋白质。

一旦程序运行了计算分析,寻找候选蛋白质来抑制SARS-CoV-2,它将指导Beuning在她的实验室的实验测试。

“我们将着眼于蛋白质水平:这些化合物真的能结合那些蛋白质吗?它们能调节蛋白质的活性吗?”Beuning说。“理想情况下,它们会抑制蛋白质的活性,然后损害病毒。”

在过去的10年里,Ondrechen和Beuning一直在结合他们的计算和实验能力来理解一些问题,如蛋白质如何控制我们DNA的产生,以及蛋白质如何使我们的身体执行一些最重要的代谢功能。

现在,他们正计划尽快确定SARS-CoV-2中重要的蛋白质相互作用,在实验室中进行测试,并在活的生物体中进行进一步的测试。

“我们的计划是在6个月内完成,”Ondrechen说。“如果我们能在体外找到有趣的化合物,希望我们能找到合作伙伴进行体内测试。”

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