浙大科学家研究分子马达 解释病毒为何能稳定复制

一个组装中的病毒的示意图。绿色为外壳，淡黄色为DNA链，红色即分子马达。

也许你还对2016年诺贝尔化学奖的主角“分子机器”记忆犹新：3位科学家以人工方法创造了世界“最小机器”，而仿照的对象正是大自然中千姿百态的分子机器。在我们体内，就存在许多生物分子机器，它们把化学能转变为机械能，从而为种种生命运动提供能量。浙江大学科学家日前的一项发现，揭示了病毒复制过程中能量稳定来源的奥秘，进一步加深了人们对生物分子机器的认识，成果发表于著名期刊《科学进展》。

病毒利用宿主来复制自己，其DNA链和外壳是分别复制的，病毒要把这两者组装起来才能最终完成复制。DNA链条的长度可达外壳尺寸的上千倍，组装过程就像把一段很长的尼龙绳硬塞进一个乒乓球里，可想而知需要耗费很大的力气。病毒产生了一种生物分子机器——分子马达来提供把DNA链塞入外壳内所需要的机械力。科学家很好奇这种分子马达何以能持续维持稳定结构。浙大定量生物中心与物理系的周如鸿教授和李敬源教授研究团队通过建立原子层面的模型并模拟其力学过程，揭示了病毒组装马达的分子机制，解释了其超稳定力学性能的来源。值得一提的是，用建模计算来分析化学变化——这一方法的开创者们获得了2013年诺贝尔化学奖。

病毒组装马达的详细视图。图左为侧视，绿色部分为ATP酶，蓝色部分为衣壳连接器，橙色部分即由三条RNA链所组成的三路交叉结构。当中的粉红链条即将要被塞入壳中的DNA链。

“我们选取的这种病毒，其组装马达可视为由马达本身和‘螺丝’和‘胶带’3部分组成。”李敬源28日告诉记者，马达的主要部分是ATP酶，负责提供把DNA链塞入外壳内所需的能量；衣壳连接器就像螺丝，把马达和病毒外壳拧在一起，而由三条RNA链所组成的三路交叉结构pRNA就像胶带，起到加固各部件的作用。

研究团队建立的模型除组装马达、病毒等生物分子之外，还包括它们所置身的水环境。因此，尽管这是人体内非常微小的、要靠显微镜才能看清的“迷你装置”，整个系统所包含的原子数仍高达数十万个。研究团队在计算机上模拟这些原子各自的相对位置和受力状况，得到了具有启发意义的发现：pRNA也就是“胶带”在组装马达的稳定中发挥了重要作用。李敬源说：“这是我们目前发现的力学强度最强的RNA，有效地承受了病毒组装马达的工作负载。同时这种三路交叉结构也赋予其更高效的生物功能，帮助马达稳定工作。”

周如鸿说，这一发现为抗病毒药物的研发提供了一种全新的可能。目前抗病毒药研发的一个主要方向是阻断病毒与宿主受体之间的联系，而病毒组装马达机制的发现意味着，即便病毒已经在宿主中成功复制了外壳和DNA链，只要阻碍组装马达的工作，尤其是破坏pRNA这一“胶带”的作用，就仍然有可能阻止这种类型的病毒最终完成复制。浙大科学家的实验已经证实，如果去掉上述病毒三路交叉结构核心处的两个嵌入镁离子，就会破坏其机械稳定性，使马达失去组装DNA的能力。