有多达 240 万例病例，全球有超过 2.5 亿例慢性病例，尽管有疫苗可用，但乙型肝炎感染仍然存在。疫苗的工作原理是使身体对病毒进行免疫以防止感染;但是，对于确实被感染(例如，出生时)的人无法治愈。乙型肝炎感染可导致肝损伤甚至癌症，对公众健康构成威胁。

了解病毒感染的基本步骤有助于设计药物来中断这些过程并预防慢性感染。基于这个原理，贝克曼研究所和化学系的研究人员在前所未有的原子水平上模拟了乙型肝炎病毒衣壳分解的过程。

该团队包括该研究的主要作者和化学研究科学家 Zhaleh Ghaemi;Emad Tajkhorshid，生物化学教授;和化学教授 Martin Gruebele。他们的论文题为“乙型肝炎病毒衣壳分解的分子机制”，发表在PNAS 上。

病毒衣壳是一种包含病毒遗传物质的结构;在乙型肝炎的情况下，衣壳是一个直径约 36 纳米的二十面体结构，由 240 个相同的蛋白质组成。衣壳分解，其中衣壳物理分解，对于病毒感染细胞至关重要，因为它允许病毒将其自身的遗传物质释放到宿主细胞的细胞核中，并最终利用宿主细胞的复制机制进行繁殖。在原子水平上了解这一过程对于对抗乙型肝炎和其他类似感染的治疗方法至关重要。

“在过去的几十年里，在 UIUC 开发的 NAMD 等高级模拟软件的发展，以及对原子之间相互作用的更准确处理，使我们能够模拟这种规模和复杂性的系统，”Ghaemi 说。

“这项工作的一个新方面是开发和应用一种方法，使我们能够有效地扰乱衣壳，”负责 NIH 大分子建模和生物信息学生物技术中心的 Tajkorshid 说。“五到十年前，我们既没有计算能力，也没有合适的方法来开展这类工作。”

凭借尖端的计算能力，该团队撬开了乙型肝炎病毒衣壳拆卸过程。

“在实验方面，这是一种情况，你不能吃蛋糕，也不能吃蛋糕。你可以做显微镜实验，但总有一个权衡。有些实验会给你部分的见解。有些会给出你有更高的空间分辨率，更好的时间分辨率，但没有像我们所做的这些模拟那样的实验，它只会向你展示会发生什么，一个原子一个原子，”格鲁贝勒说。

研究人员使用新开发的计算技术施加机械应力，确定衣壳的哪些区域会影响拆卸过程。令人惊讶的是，发现衣壳蛋白的特定区域比其他区域对断裂的贡献更大，而不是之前仅根据机械特性推测的模式。

通过探测和研究衣壳分解，该过程被设置为在短短几纳秒的模拟时间内有效发生，该团队预测导致分解的第一个裂缝是衣壳结构仅膨胀 2.5% 的结果。

使用当今可用的许多技术，这种高水平的准确性是不可能的。

“这里的工作基于模拟，但我们可以通过涉及突变特定氨基酸的实验来确认模拟，这些氨基酸被预测为拆卸的‘热点’，”Ghaemi 说。

每个团队成员贡献的独特专业知识对于开发方法、模拟过程和以惊人的精度预测现象至关重要。为这项研究开发的方法将使今天的科学家能够推进他们的领域——从病毒学到生物信息学再到物理学。

“这篇论文的美妙之处在于，根据你是物理学家还是生物医学研究人员，不同的部分会对不同类型的人产生兴趣，”格鲁贝勒说。

“像这样的工具为我们配备了一台计算显微镜，通过它我们可以以极高分辨率观察复杂的分子运动和现象，否则无法实现，”Tajkhorshid 说。