看GPU如何打敗當(dāng)今堪稱無(wú)敵的細(xì)菌大敵

我們與耐抗生素的細(xì)菌正處于激烈對(duì)抗中，但借助GPU加速計(jì)算的模擬實(shí)驗(yàn)，研究人員將能夠?yàn)樾炉煼ǖ难邪l(fā)指明方向。

抗生素曾在上個(gè)世紀(jì)拯救過(guò)數(shù)百萬(wàn)人的生命。但是隨著超級(jí)細(xì)菌的不斷增加，抗生素越來(lái)越束手無(wú)策。超級(jí)細(xì)菌能夠在藥理的攻擊下存活，且不斷進(jìn)化。

面對(duì)美國(guó)疾病控制中心所謂的“噩夢(mèng)細(xì)菌”，已有的抗生素已然捉襟見(jiàn)肘。這使得包括英國(guó)首席醫(yī)療顧問(wèn)在內(nèi)的部分人員警告稱，后抗生素時(shí)代“天啟”將要來(lái)臨，屆時(shí)普通感染、外科手術(shù)、肺結(jié)核甚至紙張劃傷都可能使人喪命。

發(fā)表于《科學(xué)》雜志的一篇新論文讓人看到了一絲希望。借助GPU加速的超級(jí)計(jì)算機(jī)模擬和實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)，研究人員發(fā)現(xiàn)了葡萄球菌（造成醫(yī)療行業(yè)感染的主要原因）難以攻克的原因。他們的研究成果可以為研發(fā)新療法指明方向，從而打敗當(dāng)今堪稱無(wú)敵的細(xì)菌大敵。

耐甲氧西林葡萄球菌（洋紅色）。

“頑強(qiáng)”的葡萄球菌

來(lái)自伊利諾伊大學(xué)貝克曼研究所和慕尼黑大學(xué)的研究人員對(duì)一種名為耐甲氧西林金黃色葡萄球菌 (MRSA) 的葡萄球菌感染展開(kāi)了研究，這種細(xì)菌對(duì)通常用使用的抗生素沒(méi)有反應(yīng)。如果不加以控制，可能會(huì)引發(fā)敗血癥，甚至死亡。

研究人員發(fā)現(xiàn)了使MRSA緊緊附著于人類宿主的機(jī)制：一連串螺旋狀排列的氫鍵如同強(qiáng)力膠一樣將細(xì)菌蛋白質(zhì)分子固定于人類蛋白質(zhì)分子上。他們嘗試將這兩種分子撬開(kāi)，以測(cè)試這些鍵在受力時(shí)的強(qiáng)度。

貝克曼研究所的研究科學(xué)家Rafael Bernardi表示：“這些細(xì)菌緊緊粘附于人類蛋白質(zhì)分子上，無(wú)法將其分離。破壞一個(gè)氫鍵很容易，而難就難在我們必須一次性破壞所有氫鍵?！?/p>

揭開(kāi)紐帶之謎

在醫(yī)院或者療養(yǎng)院，對(duì)生病或身體虛弱的患者，葡萄球菌感染尤其常見(jiàn)。諸如髖關(guān)節(jié)置換裝置或起搏器之類的醫(yī)療植入物也會(huì)造成危險(xiǎn)，因?yàn)榧?xì)菌通常附著于其表面。

研究人員使用了兩種方法來(lái)查明MRSA感染難以攻克的原因。慕尼黑大學(xué)團(tuán)隊(duì)使用高分辨率原子力顯微鏡，嘗試以物理方式將細(xì)菌分子與人類分子分離開(kāi)來(lái)。貝克曼研究所團(tuán)隊(duì)所用的方法是：在伊利諾伊大學(xué)由 GPU 驅(qū)動(dòng)的藍(lán)水（Blue Waters）超級(jí)計(jì)算機(jī)上運(yùn)行2400次分子動(dòng)力學(xué)模擬。

所得結(jié)果完全相同：兩者均表明超強(qiáng)氫鍵是導(dǎo)致MRSA刀槍不入的罪魁禍?zhǔn)住?/p>

Bernardi說(shuō)：“我們經(jīng)常會(huì)遇到兩種方法所得結(jié)果相符的情況，但是這次卻令人驚嘆。通過(guò)該模擬，我們可以隨時(shí)看到每一個(gè)原子，因此我們獲得的詳細(xì)信息要比用顯微鏡觀察到的更多。”

將細(xì)菌蛋白（藍(lán)色和綠色）與人類蛋白質(zhì)分子（橘色）相連接的氫鍵（紫色）示意圖。這些鍵正是導(dǎo)致某些葡萄球菌感染和其他耐抗生素疾病非常難以治療的機(jī)制。圖片來(lái)源：貝克曼研究所的 Rafael Bernardi。

可能的新療法

Bernardi使用CUDA加速的分子動(dòng)力學(xué)和虛擬化軟件，僅在藍(lán)水的GPU節(jié)點(diǎn)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。他表示，如果沒(méi)有GPU，就無(wú)法完成如此多的模擬，也無(wú)法獲得如此精確的結(jié)果。

“我由衷希望相關(guān)方可以利用我們獲悉的知識(shí)來(lái)研究新策略，治療葡萄球菌感染?！彼f(shuō)，“例如，制藥公司可以研發(fā)能夠阻止或減弱鍵形成的治療方法?！?/p>

細(xì)菌感染開(kāi)始示意圖。在圖片底部，人類蛋白質(zhì)包覆著醫(yī)療植入物的表面。彩色的棒狀物是引發(fā)感染的細(xì)菌。中央細(xì)菌下方的透明結(jié)構(gòu)是將細(xì)菌固定到植入物表面的蛋白質(zhì)。圖片來(lái)源：美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院大分子建模和生物信息中心。