比尘埃还小数倍的病毒,原子数远远超过数百万;仅其中一个蛋白,就由数万个原子构成。病毒如何突破宿主细胞防线、完成入侵,长期以来都是病毒学领域的核心问题之一。传统研究多聚焦病毒入侵前后的静态结构观测,难以解析动态过程;如今,来自上海产学研一线的科研力量协同联动,正以基础研究为根、智能技术为翼,探索病毒入侵关键动态过程的研究路径。
走进位于徐汇滨江的上海科学智能研究院(下称上智院),来自上智院、复旦大学基础医学院、上海市重大传染病和生物安全研究院(下称上海市传研院)和思朗科技的科学家、工程师跨领域协作,正围绕病毒膜融合这一国际前沿问题展开联合攻关,积极推动科研资源整合、研究方法创新与成果高效转化。他们携手尝试在原子尺度上为抗病毒药物研发提供新思路,也为科学智能(AI for Science, AI4S)产学研深度融合的创新模式写下又一实践注脚。
在上智院为“加速营”开辟的专门办公区域中,AI科学家、工程师与领域科学家围绕病毒膜融合的项目课题,共同定义方向、迭代研究方案、推进验证实验。新华网 发
一场分享,点燃一次Science和AI的双向奔赴
合作的缘起,是一次闭门分享中的灵感碰撞。
上智院物质科学方向研究员王雯莉,在一场学术会议上听完姜世勃的报告后深受触动。姜世勃是复旦大学教授、上海市传研院项目首席科学家,长期深耕病毒融合抑制剂研究,是该领域的开创者与领军人物。在分享中,他谈起冷冻电镜虽然能捕捉到病毒融合过程的起始帧(融合前状态)和结束帧(融合后状态)及少数的融合中间态片段,却难以实现全过程动态追踪。王雯莉由此意识到,分子动力学模拟技术有望弥补这一研究短板。
恰逢上海市传研院院长吴凡带队到访上智院,复旦大学基础医学院教授陆路、上智院物质科学方向负责人及格物智研创始人曹风雷共同参与交流,双方一拍即合。随后,复旦大学团队青年研究员王欣玲与王雯莉进一步对接,由此启动正式合作。
然而,合作的实际落地,远比一拍即合复杂。上智院物质科学团队拿到的第一批“原材料”,是姜世勃/陆路团队与合作者通过生物技术捕获的蛋白结构数据。王雯莉一打开就发现:结构存在残缺,直接建模根本无法运行。于是她先用计算机对蛋白进行补全,再搭建初步模拟体系。第一版体系按常规方式构建,蛋白几乎无法运动。团队反复讨论后将膜改为“小岛”形态,留出足够运动空间,并修正计算机的构型偏差。经多次迭代,创新调整膜结构形态及优化模拟环境,逐步构建适配病毒膜融合研究的模拟框架。
不过领域科学家和AI科学家之间最难的,还不是技术问题,而是“鸡同鸭讲”的困境——生物学家聚焦功能与作用机制,AI科学家侧重几何结构与参数设计,工程技术人员关注算力适配与系统稳定。为此,双方骨干主动承担“跨学科翻译”角色,密切配合,打通生物机制、算法模型与工程实现之间的沟通壁垒。
合作过程中,针对药物结合位点筛选等关键问题,不同领域团队基于各自专业视角提出差异化方案:蛋白质表面凹陷的区域,就像一个个形状各异的“口袋”,药物小分子能否嵌入并发挥作用,很大程度上取决于选择哪个“口袋”。AI团队提出三个候选位点,计算模型显示其中一个结合能最高,AI评分也最优。生物团队则结合数十年实验经验与病毒作用规律提出优化建议。双方通过多轮研讨、数据比对与方向校准,形成兼顾计算可行性与生物有效性的研究方案。“很多时候计算机判断的和人类经验判断的不一样”,王雯莉后来说,“姜老师团队几十年的直觉和经验,以及传递给团队的品味,是模型不具备的。”
深耕基础:聚焦病毒入侵核心科学难题
破解病毒入侵动态过程难题,离不开长期扎实的基础研究积累。
20世纪90年代初,姜世勃在纽约血液中心工作时,开始研究如何阻止艾滋病病毒(HIV)入侵人体细胞。他发现,依据HIV表面蛋白的一段氨基酸序列合成出来的多肽能够非常有效地阻止HIV入侵人体细胞,有望开发成为一个抗艾滋病药物。1992年他们申请了美国专利,1993年在《Nature》发表成果。其专利转让给一个美国制药公司,开发成全球首个病毒入侵抑制剂药物——恩夫韦肽(T20),并于2003年获美国FDA批准上市。
后来的作用机制研究证明,HIV的一个表面蛋白gp120会先紧紧抓住人体细胞表面的受体和辅受体(如CD4等),而另一个表面蛋白gp41则像弹簧刀一样弹开,其“刀尖”扎入人体细胞的包膜中。随后,这个“弹簧刀”再“折叠”回来,把病毒膜和细胞膜拉到一起并发生膜融合,病毒基因通过融合孔进入细胞内进行复制,产生更多病毒颗粒。而T20多肽药物则可以通过“卡住”这一“折叠”动作来阻断感染。
沿着同样的思路,姜世勃和陆路又带着团队将研究推进到冠状病毒领域。与很多人重点关注容易变异的RBD区域不同,他们瞄准相对保守、不易突变的HR1区域,研发出广谱冠状病毒融合抑制剂EK1,以及活性更强的EK1C4等系列多肽分子。并且,他们还发现了冠状病毒与HIV膜融合中不同的中间态机制,也设计了新功能的病毒失活剂AL5E等,为研发广谱抗冠状病毒药物提供新思路。
通俗来说,病毒进入细胞才能开启它的生命周期,就像小偷要开锁进屋才能行窃。过去,科学家看到的是:小偷摸了锁,然后锁开了,他进去了,中间发生了什么所知甚少。姜世勃/陆路及合作团队捕捉到了小偷“从兜里掏出钥匙,并用钥匙去开锁”的那一刻——也就是病毒蛋白在融合过程中的关键构型。根据这把“钥匙”的形状设计出潜在药物,让它紧紧“咬住”这把钥匙,不让它插进锁里。
但这把钥匙很可能是把折叠钥匙:它掏出来是一个形状,插进锁之前还要再翻折、再扭转,每一步细节都可能藏着新的靶点结构。目前学界看到的是这个过程的开头、中间和结尾定格的画面,但其中那些扭转的细节,病毒蛋白究竟是如何从“展开”瞬间变成“折叠”的,多年来是一片空白。这正是联合团队希望用分子动力学模拟来破解的谜题。就像破案时,知道了凶手,也看到了案发现场,但那把锁究竟是怎么被打开的,还需要一帧一帧地还原。
首批国家医保项目目录制定工作方案公开征求意见
原标题:首批国家医保项目目录制定工作方案公开征求意见
医疗服务价格项目是医保支付的基础。《国家基本医疗保险医疗服务项目目录(第一批)制定工作方案(征求意见稿)》28日公开向社会征求意见。
对于医疗服务项目,此前国家层面只规定了不予支付和可以部分支付费用的范围。随着国家…
复旦大学团队积累的大量实验数据,为动态模拟研究提供了关键参考坐标,而跨学科跨机构团队的协作,重点就是把分散的实验结果串联起来,搞清楚病毒入侵的完整动态过程。
复旦大学团队为探索揭示病毒蛋白“折叠钥匙”的奥秘提供了不可或缺的实验基准与结构坐标。新华网 发
AI+领域+工程,协同赋能病毒入侵过程研究
探索病毒膜融合的关键动态过程,需要一种不同于以往的创新模式。这一模式,是AI、领域、工程三者的深度协同。研究团队以星河启智科学智能开放平台为依托,形成了 “问题共研、路径共商、资源共享、成果共创” 的闭环协作方式。
在研究实施层面,团队先是基于星河启智平台梳理领域文献、结构化整合已有研究成果,联合制定科学可行的研究方案。随后,借助平台及思朗科技自研的“天穹”3D科学计算机的自主算力支撑,联合团队适配病毒膜融合研究的特殊体系需求,优化底层计算框架,攻克高长宽比模拟体系运行难题,从而保障大规模原子体系模拟研究的稳定推进,显著提升研究效率,缩短基础研究周期。
这套路径推进起来并非一帆风顺。除了跨学科的语言磨合之外,工程层面同样面临艰巨挑战。体系搭建完成后,新的瓶颈出现在算力端。为真实还原病毒膜融合的空间形态,上智院物质科学团队搭建的模拟体系颇为细长;而思朗科技的“天穹”3D科学计算机原本适配正方体体系,面对这一高长宽比形态,需要工程侧及时调整。思朗科技MD首席科学家梅晔带领团队为此耗时约一个月,深入改造底层框架,将立方体约束扩展为支持高长宽比的长方体体系,保障该模拟场景的稳定运行。改造后,93万原子规模的体系模拟仅用时不到四天,远快于传统算力数月的周期。
思朗科技“天穹”3D科学计算机。新华网 发
这种创新模式的形成,背后是一套有意识构建的协同机制。立足上海、由上智院带头发起,“加速营”尝试打破高校、科研机构与企业之间的资源壁垒。AI科学家、工程师与领域科学家长期混合办公,围绕真实科研问题共同定义方向、迭代研究方案、推进验证实验。上智院副院长邹亮用 “边研边创” 形容这里的状态,区别于成果成熟后再转化的传统模式,团队在研究过程中就与产业方深度互动,实现基础研究与产业应用的同频共振。
强化医药基础研究,践行AI4S新范式
这次合作,不光研究了病毒膜融合的动态过程,关键是实践了一种可复制、可推广的基础研究协同机制,给AI赋能科学研究、提升源头创新能力提供了实实在在的经验。
基于当前研究积累,联合团队正依托由上智院团队打造的“浑天绫” 开源物质科学发现系统,探索靶向病毒融合中间态的抑制剂研发思路。相较于蛋白类药物,小分子药物具有成本低、口服效率高等优势,“如果我们能锁定融合过程中的关键中间态,有望为针对多种病毒的广谱药物研发提供新方向,这是一条很有价值的路。”姜世勃说。同时他们对AI的期待是清醒的:AI 技术是基础研究的重要工具,实验验证始终是科研链条中不可替代的关键环节。仅凭预测的结合能并不等同于实际的抗病毒效果,结合了不一定能抑制,甚至可能促进感染,ADE效应在RSV等病毒研究中已有前车之鉴;临床验证永远无法被绕过,青年科学家们在实验室持续开展的生物活性验证,目前依然是整个研发链条中不可替代的一环。
与此同时,这项研究带来的能力外溢,也正在反哺更多基础研究方向。梅晔介绍,为病毒膜融合项目开发的长方体计算支持能力,已复用至材料领域高分子拉伸模拟。特定科学需求催生的工程能力,正沉淀为通用基础设施。
就像照着锁孔配钥匙,联合团队以病毒蛋白表面的“口袋”结构为靶点,利用扩散算法这一人工智能技术开展反向推演设计,从一团混沌的分子云中层层剥离、雕琢细节,探索定制能精准嵌入其中的“小分子钥匙”,以期阻断病毒入侵。上图左侧为病毒蛋白结构,右上为扩散算法“去噪”机制的工作流程,右下为分子结构生成过程。新华网 发
更重要的变化,则来自科研范式本身。
过去需要数月完成的模拟,如今可压缩至数天,科学家得以快速迭代假设,在更接近真实生理环境的条件下开展研究。作为上智院物质科学方向的带头人,曹风雷坦言:“每一次模拟能力的提升,都会反过来改变我们提出科学问题的方式。”
AI4S还关乎科研组织方式和知识生产逻辑的系统性变革。邹亮表示:“中国有丰富的科研场景、海量的科学数据,如果能在这一范式上率先建立自己的方法论和基础设施,就不只是在某个科学问题上领先,而是在未来科研的底层逻辑上占据主动。上智院想做的,正是在这个变革窗口期,把AI时代的产学研协同模式跑通、跑深。”
对此,思朗科技董事长兼CEO查浩深有同感,AI4S已成为全球科技竞争的核心赛场,底层创新算力关乎科研范式主动权。中国需自主构建底层基础设施,形成 “模拟-验证-泛化” 完整闭环,思朗科技愿以“天穹”算力为支撑,做“科学数据工厂”,助力原创成果加速涌现。
从更广阔的视角看,这项研究不仅属于病毒学领域。其“AI+领域+工程”协同路径,同样可推广至材料科学、新能源等方向。随着算法、算力与科研组织机制持续演进,越来越多过去“看不见”“算不清”“难验证”的科学问题,或许都将被重新打开。(许超)