我們與耐抗生素的細菌正處于激烈對抗中，但借助GPU加速計算的模擬實驗，研究人員將能夠為新療法的研發(fā)指明方向。

抗生素曾在上個世紀拯救過數(shù)百萬人的生命。但是隨著超級細菌的不斷增加，抗生素越來越束手無策。超級細菌能夠在藥理的攻擊下存活，且不斷進化。

面對美國疾病控制中心所謂的“噩夢細菌”，已有的抗生素已然捉襟見肘。這使得包括英國首席醫(yī)療顧問在內(nèi)的部分人員警告稱，后抗生素時代“天啟”將要來臨，屆時普通感染、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》雜志的一篇新論文讓人看到了一絲希望。借助GPU加速的超級計算機模擬和實驗室實驗，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，從而打敗當今堪稱無敵的細菌大敵。

耐甲氧西林葡萄球菌（洋紅色）。

“頑強”的葡萄球菌

來自伊利諾伊大學貝克曼研究所和慕尼黑大學的研究人員對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了研究，這種細菌對通常用使用的抗生素沒有反應(yīng)。如果不加以控制，可能會引發(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制：一連串螺旋狀排列的氫鍵如同強力膠一樣將細菌蛋白質(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，以測試這些鍵在受力時的強度。

貝克曼研究所的研究科學家Rafael Bernardi表示：“這些細菌緊緊粘附于人類蛋白質(zhì)分子上，無法將其分離。破壞一個氫鍵很容易，而難就難在我們必須一次性破壞所有氫鍵。”

揭開紐帶之謎

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

研究人員使用了兩種方法來查明MRSA感染難以攻克的原因。慕尼黑大學團隊使用高分辨率原子力顯微鏡，嘗試以物理方式將細菌分子與人類分子分離開來。貝克曼研究所團隊所用的方法是：在伊利諾伊大學由 GPU 驅(qū)動的藍水（Blue Waters）超級計算機上運行2400次分子動力學模擬。

所得結(jié)果完全相同：兩者均表明超強氫鍵是導(dǎo)致MRSA刀槍不入的罪魁禍首。

Bernardi說：“我們經(jīng)常會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。通過該模擬，我們可以隨時看到每一個原子，因此我們獲得的詳細信息要比用顯微鏡觀察到的更多。”

將細菌蛋白（藍色和綠色）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制。圖片來源：貝克曼研究所的 Rafael Bernardi。

可能的新療法

Bernardi使用CUDA加速的分子動力學和虛擬化軟件，僅在藍水的GPU節(jié)點上進行實驗。他表示，如果沒有GPU，就無法完成如此多的模擬，也無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來研究新策略，治療葡萄球菌感染。”他說，“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。”

細菌感染開始示意圖。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)感染的細菌。中央細菌下方的透明結(jié)構(gòu)是將細菌固定到植入物表面的蛋白質(zhì)。圖片來源：美國國立衛(wèi)生研究院大分子建模和生物信息中心。