對抗流感:在原子層面研究病毒

一臺巨型磁鐵正在揭示甲型流感病毒如何變異以抵抗藥物

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由於流感現在對其兩種最常見的藥物產生抗藥性,醫生和藥物開發商越來越困惑如何治療這種病毒。一臺900兆赫的磁鐵正在提供一些新的線索。佛羅里達州立大學和楊百翰大學的生物化學家使用一臺40噸重的磁鐵獲得了該病毒的原子級影像,不僅證實了這種病菌是如何逃避免疫的,還揭示了新藥的潛在途徑。

這項研究的重點是甲型流感,這種病毒是導致大流行毒株的罪魁禍首,更具體地說,是該病毒的一種表面蛋白,稱為M2,它在繁殖中起著重要作用。抗病毒藥物金剛烷胺和金剛乙胺多年來是應用最廣泛的抗甲型流感病毒藥物,它們像浴缸塞子一樣堵塞了M2通路,阻止了病毒繁殖。然而,多年來,M2形狀的變化使其能夠繞過這些塞子,避免被清除;2006年,美國疾病控制與預防中心建議不要使用這兩種藥物。儘管耐藥的一般機制已經為人所知一段時間了,但M2究竟是如何發揮作用的卻不太清楚。

這臺大型磁鐵提供了病毒的內部檢視,很像磁共振成像可以用來觀察我們的肢體和器官內部。這種方法被稱為固態核磁共振波譜法,它提供的影像類似於MRI,但存在關鍵差異。MRI掃描過程中產生的磁場使水分子中的氫原子旋轉成一條直線。由此產生的影像——膝蓋、大腦、腫瘤——是分子恢復正常電荷時的快照;不同的組織以不同的速度“自旋衰減”。但M2蛋白存在於疏水的細胞膜上,使得MRI掃描不可能進行。NMR波譜法產生的帶電場可以使氫以外的元素旋轉,從而可以對不在水介質中生存的蛋白質進行成像。此外,樣品可以冷凍,使得對像M2這樣的滑溜蛋白質的觀察變得更容易。

透過專注於氮原子,佛羅里達州立大學的蒂莫西·A·克羅斯和他的同事們能夠準確地確定M2是如何發揮作用的。他們發現,這種蛋白質的形狀像一個兩端都有孔的通道,必須在酸性環境下啟用才能發揮作用。兩種氨基酸——組氨酸和色氨酸——啟動了這個過程:組氨酸將質子從宿主細胞帶入病毒內部,色氨酸充當門,當質子到達時擺動開啟。質子透過M2孔的通道是病毒得以繁殖的原因。


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根據最近在《科學》雜誌上發表的研究結果,M2的機制是完全獨特的,這對藥物開發商來說可能是個好訊息。“也許我們可以設計一種專門針對這種[新型]化學的藥物,”克羅斯說,他指出,病毒對M2的依賴可能會使針對這種特殊藥物的變異變得困難。

克羅斯和他的團隊正在篩選針對該病毒的化合物,但尚未確定重要的候選藥物。

傑西卡·瓦普納是一位科學記者。她是《牆病》(2020年)和《費城染色體》(2014年)的作者,這兩本書均由The Experiment出版。瓦普納住在紐約州北部。

更多作者:傑西卡·瓦普納
大眾科學雜誌 第304卷 第2期本文最初以“對抗流感:在原子層面研究病毒”為標題發表於《大眾科學雜誌》第304卷第2期(
doi:10.1038/scientificamerican022011-ovgFzHVXMVGlrNzyWvP2Y
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