Accurate Evaluation on the Interactions of SARS-CoV-2 with Its Receptor ACE2 and Antibodies CR3022/CB6
由严重急性呼吸道综合征冠状病毒2型（SARS-CoV-2）引起的2019冠状病毒病（COVID-19）的传播已成为全球健康危机。SARS-CoV-2（特别是受体结合结构域RBD）与其受体血管紧张素转换酶2（ACE 2）和抗体的结合亲和力对于了解COVID-19的感染性和评估COVID-19的候选治疗药物具有重要意义。在这项工作中，我们提出了一种新的方法，基于分子力学/Poisson-Boltzmann表面积（MM/PBSA），以准确地计算SARS-CoV-2 RBD结合ACE 2和抗体的自由能。计算得到SARS-CoV-2 RBD与ACE 2的结合自由能为-13.3 kcal/mol，SARS-CoV RBD与ACE 2的结合自由能为-11.4 kcal/mol，与实验结果（分别为-11.3 kcal/mol和-10.1 kcal/mol）吻合较好。此外，我们以两个最近报道的抗体为例，计算了抗体与SARS-CoV-2 RBD结合的自由能，这也与实验结果一致。在此基础上，利用计算丙氨酸扫描方法，确定了SARS-CoV-2 RBD/CB 6相互作用的关键残基和主要驱动力。本研究提供了一种计算效率高且数值可靠的方法来评估SARS-CoV-2与其他蛋白质结合的自由能，这可能会刺激实际应用中COVID-19疾病治疗方法的开发。
2021-01-17 physics.bio-ph q-bio.BM
Timescales of Cell Membrane Fusion Mediated by SARS-CoV2 Spike Protein and its Receptor ACE2
在这篇手稿中，我们描述了调查的SARS-CoV 2膜融合时间尺度的小角中子散射（SANS）使用氢/氘对比度的变化。在成功生产病毒样囊泡和人类宿主细胞样囊泡之后，我们能够实时跟踪各自囊泡的融合。这是使用氘代和质子化磷脂的囊泡中的中子对比度匹配的溶剂。除了存在或不存在SARS-CoV 2刺突蛋白外，囊泡是相同的。在所有情况下，人类宿主细胞样囊泡都携带ACE 2受体蛋白。在不存在刺突蛋白的情况下，观察到数小时内的融合，与文献一致，时间常数为4.5小时。相比之下，没有时间的演变，但立即融合的囊泡时，刺突蛋白的存在。这两个数字，融合超过几个小时和融合低于10秒，对应于刺突蛋白的存在或不存在，允许病毒样囊泡与SARS-CoV 2刺突蛋白的融合时间的上限估计为10秒。这种非常快的融合，与没有刺突蛋白的情况相比，是2500倍，也有助于解释为什么SARS-CoV 2感染如此有效和快速。使用我们的方法研究刺突蛋白变体可以解释SARS-CoV 2菌株之间的传播性差异。此外，这里开发的模型可以潜在地应用于任何包膜病毒。
2023-03-19 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.med-ph
Molecular Communication Theoretical Modeling and Analysis of SARS-CoV2 Transmission in Human Respiratory System
严重急性呼吸道综合征-冠状病毒2型（SARS-CoV 2）引起了持续的大流行。截至2020年10月，这场大流行病夺去了100多万人的生命，摧毁了世界。了解SARS-CoV 2的传播动力学，以便开发新的跨学科预防，诊断和治疗技术是至关重要的。在这项工作中，我们从分子通讯的角度模拟和分析了SARS冠状病毒2通过人类呼吸道的传播。我们认为，病毒扩散发生在粘液层，使管道的形状没有显着影响的传播。因此，该模型降低了人体呼吸系统的固有复杂性。我们进一步提供了SARS-CoV 2-ACE 2受体结合事件的脉冲响应，以确定到达呼吸道不同区域的病毒群体的比例。我们的研究结果证实了实验文献中关于较高粘液流速导致病毒迁移至下呼吸道的结果。这些结果对于了解SARS-CoV 2对不同年龄的不同人群的影响尤其重要，这些人群在呼吸道的不同区域具有不同的粘液流速和ACE 2受体浓度。
2021-03-22 physics.bio-ph q-bio.TO
Vaccination shapes evolutionary trajectories of SARS-CoV-2
SARS-CoV-2病毒的大规模进化以遗传进化枝的快速更替为标志。新的变异表现出内在的变化，特别是增加了传染性，以及抗原性的变化，减少了以前的感染或疫苗接种引起的交叉免疫。这种功能变异如何塑造全球演化动力学仍不清楚。在这里，我们表明，疫苗接种诱导的选择影响最近的SARS-CoV-2的抗原进化;其他相关的力量包括内在选择和抗原选择诱导的先前的感染。我们得到这些结果从一个健身模型与内在和抗原的健身组件。为了推断模型参数，我们结合了时间分辨序列数据、流行病学记录和交叉中和试验。该模型准确地捕捉了SARS-CoV-2在多个地理区域的大规模演化动力学。特别是，它量化了最近的疫苗接种和感染如何影响病毒变体之间的频率变化速度。我们的研究结果表明，及时的中和数据可以收获，以确定抗原选择的热点，并预测疫苗接种对病毒进化的影响。
2022-07-19 physics.bio-ph q-bio.PE
Breath analysis by ultra-sensitive broadband laser spectroscopy detects SARS-CoV-2 infection
JILA（JILA研究所）；National Institute of Standards and Technology（美国国家标准与技术研究院）；University of Colorado（科罗拉多大学）；University of Basel（巴塞尔大学）；BioFrontiers Institute（生物前沿研究所）；University of Colorado Anschutz Medical Campus（科罗拉多大学安舒茨医学校区）
本研究利用腔增强直接频率梳光谱技术分析170份呼吸样本，实现了对SARS-CoV-2感染的高精度无创检测，AUC达0.849，验证了该技术作为COVID-19快速替代检测方法的潜力。
2023-02-14 cs.LG physics.bio-ph physics.chem-ph
Deposition distribution of the new coronavirus (SARS-CoV-2) in the human airways upon exposure to cough-generated aerosol
2019新型冠状病毒病（COVID-19）已成为一种迅速蔓延的大流行病。这种疾病被认为主要通过感染者咳嗽、打喷嚏或说话时产生的呼吸道飞沫在人与人之间传播。COVID-19的病原体是严重急性呼吸道综合征冠状病毒2（SARS-CoV-2）。它感染与血管紧张素转换酶2受体（ACE 2）结合的细胞，ACE 2受体由整个气道的细胞表达，作为细胞进入的靶标。尽管大多数感染SARS-CoV-2的人会出现轻度上呼吸道感染症状，但在一些人中，外周气道感染会导致严重的、可能致命的肺炎。然而，COVID-19肺炎的诱导需要SARS-CoV-2到达外周气道。虽然已经做出了巨大的努力来了解疾病的传播以及细胞进入后的发病机制，但很少关注SARS-CoV-2如何从环境中到达靶细胞的受体。本研究的目的是描述暴露于咳嗽产生的气溶胶后SARS-CoV-2在气道中的沉积分布。为此，应用了随机肺沉积模型。气溶胶粒径分布和呼吸参数取自文献，假设通过鼻子正常呼吸。我们发现，由于吸入旁观者咳嗽产生的气溶胶而直接感染外周气道的可能性非常低。由于沉积在胸外气道的病原体数量比周围气道高约10倍，我们得出结论，在大多数情况下，COVID-19肺炎必须在上呼吸道SARS-CoV-2感染之前发生。我们的研究结果表明，如果上呼吸道的病毒载量没有增加，COVID-19的危险性就会小得多。
2020-05-12 physics.bio-ph q-bio.TO
Carbon nanotube substrates enhance SARS-CoV-2 spike protein ion yields in matrix assisted laser desorption-ionization mass spectrometry
纳米结构表面增强基质辅助激光解吸电离质谱（MALDI-MS）中的离子产率。刺突蛋白复合物S1是Sars-CoV-2的一个指纹特征，质量为75 kDa。在这里，我们表明，MALDI-MS产量的Sars-CoV-2刺蛋白离子在100 kDa的范围内增强50倍时，基质分析物溶液被放置在基板上，被涂有一个茂密的森林的多壁碳纳米管相比，从未涂覆的基板的产量。纳米结构基底可以支持用于敏感病原体检测和环境监测的质谱技术的发展。
2022-10-10 physics.app-ph physics.bio-ph
SARS-CoV-2 quantum sensor based on nitrogen-vacancy centers in diamond
开发针对高传染性病毒SARS-CoV-2的高灵敏度和快速生物传感工具对于应对COVID-19大流行至关重要。量子传感器可以发挥重要作用，这要归功于它们卓越的灵敏度和近年来的快速改进。在这里，我们提出了一种分子换能器，设计用于纳米金刚石中的氮空位（NV）中心，将SARS-CoV-2 RNA的存在翻译成可以光学读取的明确的磁噪声信号。我们评估了混合传感器的性能，包括其灵敏度和假阴性率，并将其与广泛的诊断方法进行比较。所提出的方法是快速的，并有望达到灵敏度下降到几百个RNA拷贝与假阴性率小于1%。所提出的混合传感器可以进一步利用不同的固态缺陷和基底来实现，推广到诊断其他RNA病毒，并与CRISPR技术集成。
2021-11-10 physics.bio-ph quant-ph
From atomic to global connectivity in the structure of the SARS-CoV2-Human ACE2 receptor complex
Los Alamos National Laboratory（洛斯阿拉莫斯国家实验室）；Indian Institute of Science（印度科学学院）；University of Regina（里贾纳大学）；Yale University（耶鲁大学）；University of Illinois at Urbana-Champaign（伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校）
本文研究了SARS-CoV2刺突蛋白与ACE2受体复合物的连接特性，通过基于蛋白质侧链的网络方法，分析了集群和团簇结构，揭示了SARS-CoV2与ACE2的更强连接性，为设计抗免疫逃逸变种提供了依据。
2026-04-17 cond-mat.other physics.bio-ph
Fomite transmission and disinfection strategies for SARS-CoV-2 and related viruses
被污染的物体或表面，被称为污染物，在病毒传播中起着关键作用，包括导致COVID-19大流行的SARS-CoV-2病毒。病毒在表面上的长时间持续存在（数小时至数天），迫切需要表面消毒策略来阻断病毒传播和疾病传播。阐明物理化学过程和表面科学的吸附和表面之间的病毒转移，以及它们的灭活，是重要的了解疾病是如何传播的，并在制定有效的拦截战略。本文旨在总结目前的知识和基本的物理化学过程的病毒传播，特别是通过污染物，和常见的消毒方法。还查明了知识方面的差距和进一步研究的需要。综述的重点是SARS-CoV-2，但将补充相关病毒的讨论。
2020-05-23 physics.bio-ph q-bio.OT
Repurposing the Combination Drug of Favipiravir, Hydroxychloroquine and Oseltamivir as a Potential Inhibitor against SARS-CoV-2: A Computational Study
病毒SARS-CoV-2在过去的几个月里在世界各地造成了全球紧急情况。我们正目睹COVID-19导致的无助局面，因为没有疫苗或药物可有效对抗该疾病。在本研究中，我们测试了一些联合药物对COVID-19的适用性。我们试图了解一些再利用药物的作用机制：法匹拉韦（F），羟氯喹（H）和奥司他韦（O）。ADME分析表明F、H、O结合对SARS-CoV-2病毒$3CL^{pro}$受体蛋白有较强的抑制作用。通过分子对接计算得到的F+H+O：$3CL^{pro}$的结合亲和力、抑制剂与受体间氢键相互作用的数目以及较低的抑制常数，验证了F+H+O：$3CL^{pro}$组合具有更好的络合可能性。来自分子动力学（MD）模拟的各种化学输出，如势能（$E_g$）、温度（T）、密度、压力、SASA能、相互作用能、吉布斯自由能（$ΔG_{bind}$）等，也有利于F+H+O与CoV-2蛋白酶的复合。我们的计算机模拟结果推荐了联合药物法匹拉韦、羟氯喹和奥司他韦作为靶向SARS-CoV-2感染的潜在主要抑制剂的强有力候选药物。
2020-11-08 physics.bio-ph q-bio.OT
A Virucidal Face Mask Based on the Reverse-flow Reactor Concept for Thermal Inactivation of SARS-CoV-2
虽然覆盖鼻子和嘴的面部覆盖物通过过滤减少了病毒SARS-CoV-2的传播，但能够通过加热灭活病毒的口罩可以提供一种补充方法来限制病毒传播。在这项工作中，我们介绍了一种新的杀病毒口罩的概念的基础上，由人类呼吸的振荡流驱动的逆流反应器。制定并求解控制热量和质量传输方程，以分析在吸气和呼气期间评估病毒和CO2传输的设计。考虑到人类呼吸的量和频率、SARS-CoV-2热灭活的动力学以及人类安全性和舒适性所施加的限制，加热面罩可以将流入和流出的SARS-CoV-2抑制到医疗级无菌状态。我们详细描述了一种特殊的设计，在90 $^\circ$ C下体积为300 mL，其在口罩网内以最小的病毒阻抗实现了病毒载量的3-log减少，分配系数约为2。这项研究是第一个定量分析的病毒杀灭热灭活的防护口罩，并解决了迫切需要的新方法，个人防护设备在全球大流行。
2020-10-21 physics.bio-ph physics.flu-dyn
Bad vibrations: Quantum tunnelling in the context of SARS-CoV-2 infection
SARS-CoV-2大流行给病毒感染机制的研究增加了新的紧迫性。但是，尽管疫苗提供了一种针对这种特定疫情的保护措施，但人们预测，一个新的流行病时代已经到来。除此之外，COVID-19引起了人们对病毒后综合征及其带来的医疗负担的关注。通过尽可能广泛的研究领域来增加病毒机制的知识似乎是不可或缺的。为此，我们建议量子生物学可能会为这个问题提供重要的新见解，特别是关于病毒入侵宿主的重要第一步。量子生物学的研究通常围绕能量或电荷转移。虽然这主要是在光合作用的背景下，也有一些建议，细胞受体，如嗅觉或神经受体可能采用振动辅助电子隧穿，以增加锁和钥匙机制。在酶的功能中也观察到了量子隧道效应。酶与SARS-CoV-2病毒入侵宿主细胞有关。嗅觉受体等受体似乎也被COVID-19破坏。基于这些观察结果，我们调查的证据表明，量子隧穿可能是重要的感染与SARS-CoV-2的背景下。我们用一个简单的模型来说明这一点，例如，一个病毒刺突蛋白的振动模式与理想化受体中电荷转移的可能性有关。我们的研究结果显示了一个独特的参数制度，其中的刺突蛋白的电子振动模式增强电子转移。考虑到这一点，预防SARS-CoV-2传播的新疗法可能会通过其振动光谱来识别。
2021-11-17 physics.bio-ph quant-ph
In-Silico evidence for two receptors based strategy of SARS-CoV-2
我们提出了一种新的数值方法，能够有效地确定蛋白质表面部分之间的互补关系。这种创新的和一般的程序，基于表示的分子等电子密度表面的2D泽尔尼克多项式，允许快速和定量评估的相互作用的蛋白质之间的几何形状的互补性，这是不可行的与以前的方法。我们首先用已知蛋白质复合物的大数据集测试了该方法，在盲识别结合位点中获得了0.76的ROC曲线下总面积，然后将其应用于研究SARS-Cov-2的Spike蛋白与人细胞受体之间的相互作用特征。我们的研究结果表明，SARS-CoV-2使用双重策略：除了已知的与血管紧张素转换酶2的相互作用外，其刺突蛋白还可以与上呼吸道细胞的唾液酸受体相互作用。
2020-04-03 physics.bio-ph q-bio.BM q-bio.PE
Adsorption of SARS CoV-2 Spike Proteins on Various Functionalized Surfaces Correlates with the Strong Infectivity of Delta and Omicron Variants
SARS CoV-2病毒于2019年底出现，并迅速发展出几种突变变体，特别是Delta和Omicron，它们在全球范围内表现出更高的传染性和不断升级的感染病例。这种病毒的主要传播途径是通过人与人之间的接触和气溶胶，但另一种可能的途径是通过接触被SARS-CoV-2污染的表面，通常表现出长期存活。在这里，我们比较了原始变体的刺突（S）蛋白的S1和S2亚基与Delta和Omicron变体的S1亚基的吸附能力。结果清楚地显示了不同变体之间以及S1和S2亚基之间的吸附能力的显著差异。总的来说，我们的研究表明，虽然Omicron变体能够比Delta更成功地吸附，但两种变体都显示出比原始菌株更强的吸附能力。我们还研究了pH条件对S1亚基吸附能力的影响，发现吸附在pH 7.4时最强，这是生理pH值。本研究的主要结论是，吸附能力和各种SARS CoV-2变异体的感染性之间有很强的相关性。
2022-02-24 cond-mat.mtrl-sci physics.bio-ph q-bio.BM
