坚持天河驱动创新，攻坚新冠与癌症治疗研究--超算中心博士后创新研究不断突破

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生物医药计算是高性能计算重要的应用领域，国家超级计算天津中心在该领域的基础研究创新工作成果不断涌现。近期，我中心在站博士后曹一鹏在新冠病毒结构蛋白的多聚体的功能和相互作用机制、胶质瘤发生与治疗机理等方面取得多项研究成果，主要成果发表在《Computational and Structural Biotechnology Journal》《Frontiers in Molecular Biosciences》《Protein Science》等国际知名期刊。

截至2021年12月末，新冠病毒及其变异株已全球累计病例已超2.8亿，死亡人数超540万。不断出现的新冠病毒变异株给疫情防控、疫苗和药物研发带来了严峻挑战。新型冠状病毒的 M 蛋白是构成病毒颗粒的主要结构成分。它们是通过横向相互作用形成二聚体并和其他结构蛋白相互作用，最终组成病毒颗粒。通过建立100 M二聚体的初始模型，基于天河新一代超级计算机进行了长时间尺度的分子动力学模拟、多重自由能分析得到了六个最可能的M蛋白二聚体模型。通过自由能计算发现二聚体稳定性取决于三个跨膜螺旋中某些氨基酸的相互作用。由于M蛋白在目前流行的突变体（delta、omicron）中高度保守，本研究将为根据M蛋白结构信息开发新的疫苗或药物提供理论支持。

（A）M蛋白二聚体在病毒包膜中可能的存在机制；（B）六个最可能的M蛋白二聚体的拓扑形态；（C）M蛋白跨膜区残基对二聚体的能量贡献

除此之外，曹一鹏博士依托天河超算平台在癌症领域持续开展创新研究工作，在对癌症中长非编码RNA（lncRNA）编码的跨膜小肽的预测和其机制的研究方面也取得进展。胶质瘤是一种致命的恶性脑癌，水和离子通道的行为异常在调节肿瘤的增殖、迁移、凋亡中起重要作用。新的研究表明，一些含有小的开放阅读框的lncRNA 可以编码小肽并形成用于水或离子调节的寡聚体。然而，由于难以识别，它们的功能机制还远未清楚。曹一鹏博士与天河团队利用生物信息学方法预测了可能编码胶质瘤中的膜小肽的lncRNA。结合ab initial同源建模、分子动力学模拟和自由能计算等方法，发现了关键lncRNA包含的可编码小肽的片段，这些片段可能形成五聚体离子和水通道。该工作为阐明lncRNA编码小肽的功能及其在癌症中的作用提供了理论支持。

(A)小肽孔道开放的关键氨基酸残基；（B）脑胶质瘤中与预后相关的lncRNA；（C）小肽孔道的几何性质以及对离子和水的通透能力。

国家超级计算天津中心自2011年建立了博士后科研工作站以来，在博士后人才培养工作中不断取得佳绩。中心与天津医科大学肿瘤医院联合培养的博士后曹一鹏于2020年9月入站进行科研工作。在合作导师天津超算中心孟祥飞教授、天津医科大学肿瘤医院徐波教授的悉心指导下，以新型冠状病毒结构蛋白、癌细胞中lncRNA编码的跨膜小肽等作为主要研究方向，并开展质子放射治疗中的生物物理学模型的建立和对生物大分子体系影响等计算机-医学-生物学交叉科学问题的研究。曹一鹏博士入站以来，已经取得多项研究成果，以第一作者身份发表JCR一区论文多篇，累计影响因子26.6分。同时还主持了国家自然科学基金青年项目、中国博士后科学基金面上项目等。

国家超级计算天津中心博士后科研工作站累计已培养多名博士后，已经取得和正在开展多项代表性创新工作。2020年2月由康波博士等主要研发完成的“新冠CT影像人工智能辅助诊断系统”成为当时全球该领域首个上线系统，服务国内外近200家医疗和研发机构，相关论文成为ESI高被引用成果。同时，天津超算中心博士后团队依托天河超算平台，与天津中医药大学合作通过大规模高通量药物筛选和分子动力学模拟等方法对中药“宣肺败毒方”中抑制新冠病毒活性的小分子作用机制进行探索，开展新冠病毒真实的亿级超大规模体系建模和模拟工作，研发构建中国材料基因高通量计算平台等。天津超算中心还将积极发挥自身平台优势，进一步挖掘博士后队伍的潜力，投入相关学科的科研工作，为我国科技事业贡献超算力量。