你知道超級電腦也可以破解病毒嗎?在國研院國網中心分子動力學計畫支持下,中心團隊運用高速計算軟硬體模擬專業,針對全球首度被發明的「NTU-VirusBom臺大病毒崩」1(圖1)進行研究,希望透過超級電腦瞭解病毒被崩解破壞的機制。
   
西元2002年爆發令社會恐慌的SARS疫情,台大奈米生物微電機研究群開發出可以有效崩解SARS病毒的硫醇分子自組裝薄膜,台灣大學並將該產品取名為台大「抗煞一號」。2009年H1N1感感病毒肆虐全球,他們依然再度動員,針對H1N1病毒進行分析。最後,實驗室花了將近六年的時間,才成功找出能崩解H1N1病毒結構的化合物「NTU-VirusBom臺大病毒崩」。
 

   
圖1:NTU-VirusBom 分子結構圖

NTU-VirusBom臺大病毒崩可說是全球首度被發明、可同時崩解細菌和病毒領域的發現,但是由於此項技術太新,科學家們對病毒崩解機制還是一知半解;加上病毒與NTU-VirusBom基本的組成單元為原子,其以原子為單位的分子模擬基本模擬時間單位為10-15 秒,換言之,若要模擬真實時間的崩解,其崩解一秒就要算一年;整個病毒崩解的時間約為真的時間單位為數秒到數十分鐘,則必需要千兆倍的計算時間才可以達到整個病毒崩解機制,且病毒分子數目約為數百萬個分子,因此大尺度計算也是此研究的瓶頸,讓科學家們無法一窺全貌。

國網中心鑑有良好的軟硬體設備與模擬計算專業,希望對病毒崩解研究有所幫助。因此使用分子動力學方法來模擬NTU-VirusBom崩解病毒機制。初步,醫療計算研究團隊以粗糙穀粒化分子動力學方法簡化病毒與NTU-VirusBom形成的自組裝薄膜層(圖2與3),此簡化方法可以將基本模擬時間單位增加至50~100之 10-12 秒、並大大降低所要計算的原子數,大約可以降低10~50倍。並使用國網中心之高速叢集計算主機「御風者」2的256個cpu core 共進行了約略三個月的模擬計算。
 

圖2:簡化NTU-VirusBom 分子結構圖


圖3:硫醇分子自組裝薄膜示意圖

以下為病毒崩解機制模擬的主要設定:
1. 採用STMV病毒(圖4)3: 由於目前無SARAS或H1N1病毒三維結構,因故僅能採用此病毒進行崩解模擬。
2. 採用自組開發的NTU-VirusBom粗糙穀粒化分子動力學參數。
3. 採用Martini參數4粗糙穀粒化分子動力學參數簡化STMV病毒分子。
4. 整體模擬粗糙穀粒數目約為20萬。(圖5)
5. 採用NAMD 分子動力學進行10-5秒動力學計算模擬。


圖4:STMV病毒示意圖


圖5、病毒崩解模擬系統示意圖

在使用國網中心御風者主機進行10-5秒動力學計算模擬後如圖6所示,可以發現STMV病毒確實在NTU-VirusBom自組裝薄膜表面開始崩解。透過此計算方法,我們還探討不同硫醇尾端(圖2綠色部分)對病毒崩解效率,目前本研究先使用甲基(-CH3)、氫氧基(-OH)與羧基(-COOH)三種尾端官能基結構進行模擬;因受限於現行分子動力學軟體NAMD的平行效能,無法完全使模擬計算達到真正實驗的時間範圍(1秒-數分鐘) ,目前僅能由10-5秒的分子動力學模擬結果看出硫醇尾端官能基為羧基(-COOH)時,對崩解病毒效也許有最佳的效果。

圖6:10-5秒動力學計算模擬病毒崩解結果

有鑑於現行分子動力學軟體在模擬尺度上的限制,國網中心研究團隊目前也正發展自有的高效能分子動力學軟體研發,以利進行更大尺度之計算研發,相信未來透過軟體的改良,此應用將更純熟,並有助日後藥物設計、蛋白質結構與生醫材料等相關研發。

 

參考資料:
1. 商業週刊1133期
2. http://www.nchc.org.tw/tw/news/index.php?NEWS_ID=169
3. http://www.ks.uiuc.edu/Research/namd/utilities/stmv/
4. http://md.chem.rug.nl/cgmartini/