揭开 COVID-19 的秘密：一项突破性研究揭示了病毒进化和传播背后错综复杂的生物力学。理查德-费曼（Richard Feynman）有一句名言："生物所做的一切都可以用原子的抖动和摆动来理解"。本周，《自然-纳米技术》（Nature Nanotechnology）杂志刊登了一项突破性研究，通过分析病毒与人类界面蛋白质中原子的行为，揭示了冠状病毒及其变种的进化过程。
这篇题为"SARS-CoV-2-ACE2变种界面的单分子力稳定性"的论文是三个国家六所大学的研究人员开展国际合作的成果。
这项研究对冠状病毒的机械稳定性提出了重要见解，而这是冠状病毒演变成全球大流行病的关键因素。研究小组采用了先进的计算模拟和磁镊技术来探索病毒中生化键的生物力学特性。他们的研究结果揭示了不同病毒株在机械稳定性方面的关键差异，并强调了这些差异是如何导致病毒的攻击性和传播的。
据世界卫生组织报告，全球有近 700 万人死于 COVID-19，仅美国就有 100 多万人，因此，了解这些力学特性对于开发有效的干预措施和治疗方法至关重要。该研究小组强调，了解这种大流行病的分子复杂性是我们应对未来病毒爆发的关键。
在深入研究中，由生物物理学助理教授 Rafael C. Bernardi 与 Marcelo Melo 博士和 Priscila Gomes 博士领导的奥本大学团队利用强大的计算分析能力在研究中发挥了关键作用。他们利用NVIDIA HGX-A100节点进行GPU计算，其工作对揭示病毒行为的复杂方面至关重要。
Bernardi 教授是国家自然科学基金事业奖获得者，他与德国 LMU 的 Gaub 教授和荷兰乌特勒支大学的 Lipfert 教授密切合作。他们的专业知识横跨多个领域，最终对 SARS-CoV-2 病毒因子有了全面的了解。他们的研究表明，病毒与人类界面的平衡结合亲和力和机械稳定性并不总是相互关联的，这一发现对于理解病毒传播和进化的动态至关重要。
此外，研究小组利用磁性镊子研究了不同病毒株中SARS-CoV-2:ACE2界面的力稳定性和结合动力学，为预测突变和调整治疗策略提供了新的视角。这种方法很独特，因为它能在模拟人类呼吸道的条件下测量病毒与 ACE2 受体（进入人体细胞的关键点）的结合强度。
研究小组发现，虽然 COVID-19 的所有主要变体（如 Alpha、Beta、Gamma、Delta 和 Omicron）与人体细胞的结合力都比原始病毒强，但 Alpha 变种的结合力特别稳定。这也许可以解释为什么它在没有 COVID-19 免疫力的人群中传播得如此之快。研究结果还表明，其他变体（如 Beta 和 Gamma）的进化方式有助于它们逃避某些免疫反应，这可能会使它们在人们因先前感染或接种疫苗而具有一定免疫力的地区占据优势。
有趣的是，在全球占主导地位的德尔塔和奥米克隆变体显示出的特征有助于它们逃避免疫防御，并可能更容易传播。不过，它们并不一定比其他变体的结合力更强。Bernardi 教授说："这项研究非常重要，因为它有助于我们理解为什么某些 COVID-19 变体比其他变体传播得更快。通过研究病毒的结合机制，我们可以预测哪些变种可能会变得更加流行，并为应对它们做好准备"。
这项研究强调了生物力学在了解病毒致病机理方面的重要性，并为病毒进化和疗法开发的科学研究开辟了新途径。它证明了科学研究在应对重大健康挑战方面的合作性质。