看GPU如何打败当今堪称无敌的细菌大敌

我们与耐抗生素的细菌正处于激烈对抗中，但借助GPU加速计算的模拟实验，研究人员将能够为新疗法的研发指明方向。

抗生素曾在上个世纪拯救过数百万人的生命。但是随着超级细菌的不断增加，抗生素越来越束手无策。超级细菌能够在药理的攻击下存活，且不断进化。

面对美国疾病控制中心所谓的“噩梦细菌”，已有的抗生素已然捉襟见肘。这使得包括英国首席医疗顾问在内的部分人员警告称，后抗生素时代“天启”将要来临，届时普通感染、外科手术、肺结核甚至纸张划伤都可能使人丧命。

发表于《科学》杂志的一篇新论文让人看到了一丝希望。借助GPU加速的超级计算机模拟和实验室实验，研究人员发现了葡萄球菌（造成医疗行业感染的主要原因）难以攻克的原因。他们的研究成果可以为研发新疗法指明方向，从而打败当今堪称无敌的细菌大敌。

耐甲氧西林葡萄球菌（洋红色）。

“顽强”的葡萄球菌

来自伊利诺伊大学贝克曼研究所和慕尼黑大学的研究人员对一种名为耐甲氧西林金黄色葡萄球菌 (MRSA) 的葡萄球菌感染展开了研究，这种细菌对通常用使用的抗生素没有反应。如果不加以控制，可能会引发败血症，甚至死亡。

研究人员发现了使MRSA紧紧附着于人类宿主的机制：一连串螺旋状排列的氢键如同强力胶一样将细菌蛋白质分子固定于人类蛋白质分子上。他们尝试将这两种分子撬开，以测试这些键在受力时的强度。

贝克曼研究所的研究科学家Rafael Bernardi表示：“这些细菌紧紧粘附于人类蛋白质分子上，无法将其分离。破坏一个氢键很容易，而难就难在我们必须一次性破坏所有氢键。”

揭开纽带之谜

在医院或者疗养院，对生病或身体虚弱的患者，葡萄球菌感染尤其常见。诸如髋关节置换装置或起搏器之类的医疗植入物也会造成危险，因为细菌通常附着于其表面。

研究人员使用了两种方法来查明MRSA感染难以攻克的原因。慕尼黑大学团队使用高分辨率原子力显微镜，尝试以物理方式将细菌分子与人类分子分离开来。贝克曼研究所团队所用的方法是：在伊利诺伊大学由 GPU 驱动的蓝水（Blue Waters）超级计算机上运行2400次分子动力学模拟。

所得结果完全相同：两者均表明超强氢键是导致MRSA刀枪不入的罪魁祸首。

Bernardi说：“我们经常会遇到两种方法所得结果相符的情况，但是这次却令人惊叹。通过该模拟，我们可以随时看到每一个原子，因此我们获得的详细信息要比用显微镜观察到的更多。”

将细菌蛋白（蓝色和绿色）与人类蛋白质分子（橘色）相连接的氢键（紫色）示意图。这些键正是导致某些葡萄球菌感染和其他耐抗生素疾病非常难以治疗的机制。图片来源：贝克曼研究所的 Rafael Bernardi。

可能的新疗法

Bernardi使用CUDA加速的分子动力学和虚拟化软件，仅在蓝水的GPU节点上进行实验。他表示，如果没有GPU，就无法完成如此多的模拟，也无法获得如此精确的结果。

“我由衷希望相关方可以利用我们获悉的知识来研究新策略，治疗葡萄球菌感染。”他说，“例如，制药公司可以研发能够阻止或减弱键形成的治疗方法。”

细菌感染开始示意图。在图片底部，人类蛋白质包覆着医疗植入物的表面。彩色的棒状物是引发感染的细菌。中央细菌下方的透明结构是将细菌固定到植入物表面的蛋白质。图片来源：美国国立卫生研究院大分子建模和生物信息中心。