利用分子动力学模拟揭示HIV衣壳与它的环境之间的相互作用

在一台超级计算机上花了两年时间模拟HIV衣壳生命的1.2微秒。HIV衣壳由6400万个原子组成，是一种将HIV病毒运送到人细胞的细胞核中的蛋白笼状物。这种模拟为这种病毒如何检测它的环境和完成它的感染周期提供新的认识。相关研究结果于2017年7月19日在线发表在Nature Communications期刊上，论文标题为“Physical properties of the HIV-1 capsid from all-atom molecular dynamics simulations”。

论文通信作者、美国伊利诺伊大学研究科学家Juan R。 Perilla说，“我们正在了解HIV衣壳系统的细节，不仅是它的结构，而且是它如何改变它的环境，并对它的环境作出反应。”这些细节可能有助科学家们发现打败这种病毒的新方法。

论文共同作者、伊利诺伊大学物理学教授Klaus Schulten（死于2016年10月）开创性地利用分子动力学模拟研究大型的生物学系统。他将这种方法称为“计算显微术（computational microscopy）”。

这种衣壳模拟是在美国能源部的泰坦（Titan）超级计算机上开展的。分析这些数据需要伊利诺伊大学国家超级计算应用中心的蓝水（Blue Waters）超级计算机。

HIV衣壳是由上百个相同的蛋白组成的，这些蛋白排列成一种由六边形结构和五边形结构组装成的网络，每个结构在它的中间具有一个微小的孔。这种衣壳含有这种病毒的遗传物质，将它隐藏在宿主细胞防御中。它也运输这种病毒到细胞核中，它必须渗入这种细胞核才完成感染。

Perilla说，这项新的研究揭示出这种衣壳的几种性质可能增强它检测它的环境和发现它通往细胞核的路径的能力。比如，它证实这种衣壳的不同部分按照不同的频率振动。他说，这些振动可能将信息从这种衣壳的一部分传递到它的另一部分。

这项研究也揭示出离子流进和流出这种衣壳上的孔。阴离子聚集在这种衣壳内部的带正电荷的表面上，而阳离子附着到这种衣壳的带负电荷的外表面上。

Perilla说，“如果你能够破坏这种衣壳试图维持的这种静电平衡，那么你可能能够迫使它过早破裂。”

这种正电荷内部也可能有助促进DNA构成单元（即核苷酸）流入。Perilla 说，HIV需要来自宿主的这些分子，将它自己的RNA转化为DNA。他说，这些DNA构成单元携带着负电荷，而且足够小以至于能够通过这种衣壳上的孔。

Perilla说，这些数据揭示出这种衣壳上的潜在弱点，这些弱点可能被用来开发靶向它的新药物来打败HIV。