早在2009年，当H1N1大流行席卷全球时——到2010年初，它已造成约17,000人死亡，并在200多个国家确诊病例——一波波的焦虑随之而来。对大多数人来说，这是一种对疾病的恐惧，当时这种疾病似乎难以区分、势不可挡且无法治愈。对于试图与病毒作斗争的病毒学家和药物开发人员来说，其根源在于H1N1病毒的理解程度非常低。这种新的甲型流感病毒是一种混合体，借用了几种流感病毒的遗传物质，研究人员不仅缺乏工具，甚至不确定哪些工具可能有用。
快进到上周晚些时候，中国科学院过程工程研究所（CAS-IPE）的一组研究人员生成了H1N1病毒在原子层面的首个计算模型。利用分子动力学模拟、中科院过程工程研究所的Mole-8.5超级计算机和2200个图形处理器，那里的研究人员构建了该病毒的分子模型，考虑了H1N1病毒颗粒（病毒颗粒是单个病毒粒子）中的每一个原子。
“我们实际上在计算机中创建了一个‘电子宠物’，我们可以在许多不同的环境和条件下，用各种药物对其进行实验，并且可以了解病毒颗粒变化的每一个细节，”中科院过程工程研究所化学工程教授、H1N1建模项目的主要参与者Wei Ge博士通过电子邮件告诉《PopSci》。“因此，我们相信这可能为在分子层面连接病毒学、流行病学和药物设计提供一种可能的方式。”
该模型是H1N1病毒的首个此类模型，标志着一种新的以超级计算机为中心的方法来应对流行病学和病毒学问题，而这种方法在几年前是不可能实现的。通常，当出现特别棘手的病原体爆发时，科学家们会转向他们一直以来求助的地方：实验室。但在实验室中研究病毒和细菌是一项棘手的业务。反应通常发生得非常快——通常在纳秒尺度上——它们可能非常微妙，以至于观察它们就可能改变它们，从而产生错误的结果。
Ge表示，研究科学家研究病毒的方式与制药开发人员进行研发的方式之间也存在脱节。研究科学家倾向于关注病毒的生命周期——它是如何生长和传播的——而对分子层面的结构变化了解不多。另一方面，药物开发人员正在研究这种分子结构。他们需要靶点，例如穿过膜（从而提供进入病原体的途径）的蛋白质，他们可以利用这些靶点来攻击病毒。
双方并不一定会相互启发。但是，有了像中科院过程工程研究所开发的计算机模型，一切都被包装成一个整洁的数字图像，描绘了一个讨厌的小病原体。然后，研究人员可以模拟当他们对病毒使用各种潜在疗法时会发生什么，测试它们的有效性，而无需踏入实验室一步。
“当我们看到这两个研究方面相结合时，一个令人兴奋的前景摆在眼前，”Ge说。“可以识别出潜在的治疗靶点。那些在病毒生命周期中起关键作用的靶点可能是可能的靶点。反之亦然，有效的药物应该能有效地结合到靶点上，从而导致病毒产生不同的生命周期。”
这正是中科院过程工程研究所希望通过其H1N1模型展示的。目前，该模拟每天以0.77纳秒的速度运行。这可能看起来非常慢，但考虑到纳米尺度上反应的超高速，它实际上为研究人员提供了前所未有的高分辨率病毒过程视图。Ge说，例如，如果研究人员想模拟病毒在数百纳秒内的情况，可能需要几周或几个月才能以这个规模和速度运行模拟。但是，通过优化他们的算法，他们应该能够使他们的模型运行得更快。
随着更多的处理能力——例如世界上一些最大超级计算机提供的处理能力——模拟可以以更高的速度运行。这预示着有一天，一旦发现新的病毒株，就可以比以往任何时候都快得多地对其进行快速表征、建模和测试潜在治疗方法。所有这些都可以做到，而无需在实验室中培养一种可能致命的病原体，然后经过耗时、漫长且昂贵的测试各种潜在治疗方法以找出有效方法的过程。这可以大大缩短发现致命病原体和找到治疗方法或疫苗之间的时间线，从而可能挽救无数生命。
“一旦构建了病毒颗粒，它就可以在不同条件下使用，并可模拟任意长时间，”Ge说。“这样的模拟为我们提供了一个可以随意操纵和分析的虚拟微观世界。这样的模拟最终可能成为流行病学、病毒学和药物发现的科学和技术的游戏规则改变者。”
