新型コロナウイルス感染症（COVID-19）に打ち勝つため、科学者たちは目に見えない敵を「見る」ことに挑戦している

ロミー・アマロはこの1ヶ月、ほとんど眠れていない。彼女の声は落ち着きのないエネルギーで震え、長い文章は思考の流れを取り戻すために突然途切れる。「あらまあ、疲れてるの分かります？」と、カリフォルニア大学サンディエゴ校の生物物理学者は尋ねる。

しかし、「今は眠ってはいけない時です」と彼女は言う。ここ数週間、彼女と国際的な研究チームは、世界的なパンデミックと戦うための強力な新ツールを開発するため、昼夜を問わず研究を続けてきた。彼らは、スーパーコンピューターを用いてシミュレーションを行い、微生物の個々の原子に至るまで科学的な正確さを追求した、コロナウイルスの動くデジタルレプリカを作成している。

アマロ氏は、コロナウイルスの挙動を詳細に可視化することで、その構造的な脆弱性を特定したいと考えています。そうすれば、他の研究者がそれらの脆弱性を利用して感染を防ぐ薬やワクチンを開発できる可能性があります。「機械の仕組みがわかれば、戦略的に停止させることができます」とアマロ氏は言います。「車を停止させるには、オイルを抜いたり、タイヤを撃ったりすればよいことは分かっています。」彼らのシミュレーションは、科学者がウイルスのタイヤがどこにあり、どのような弾丸を使うべきかを解明するのに役立つでしょう。

石鹸と水で手を泡立てている人

さらに、「曲線を平坦化する」とはどういう意味か、そしてコロナウイルスについて知っておくべきその他のすべて。

アマロ氏のチームメンバーは、それぞれの自宅から、オースティンにあるテキサス先端コンピュータセンターのスーパーコンピュータ「Frontera」にリモートログインし、原子レベルのシミュレーションを構築した。彼らは、ウイルスの外側全体、つまりエンベロープのシミュレーションに取り組んでいる。エンベロープには、脂肪膜と表面に存在する一連のタンパク質が含まれる。

他の研究者が新たなデータを発表するにつれ、アマロ氏のチームはシミュレーションを継続的に改良している。先週、英国の研究者がコロナウイルスの表面を覆う糖分子に関する新たな詳細を発表するよりも前に、アマロ氏が「基本的に稼働しているモデル」と呼ぶものが完成していた。チームは急いで新データを取り入れた。「これまでの人生で、間違いなく最もエキサイティングな科学的瞬間です」とアマロ氏は語る。

アマロ氏は、完成したシミュレーションでは2億個の原子の動きを再現できると見積もっている。これは確かに微々たるものだ。塩一粒にはその1000億倍の原子が含まれているからだ。しかし一方で、シミュレーション対象となる可動部品は膨大だ。彼らの目標は、ウイルス表面で揺れ動くあらゆる塊の中の個々の原子の動きを追跡することだ。このレベルの詳細さを実現するために、彼らはスーパーコンピューターで最大25万個のプロセッサコアを使用した（ちなみに、ノートパソコンのコア数は1～8個だ）。このシミュレーションは、ウイルスがどのようにして人の呼吸器官の粘液質内部を移動し、健康な肺細胞に付着して侵入するのかを科学者がより深く理解するのに役立つはずだ。

ロミー・アマロ氏によるコロナウイルスのスパイクタンパク質の原子レベルでのシミュレーション。外側を覆うカラフルな球体はグリカンと呼ばれる糖で、ウイルスをヒトの免疫システムからカモフラージュする。一方、ウイルスはスパイクタンパク質の先端にある灰色のリボンを使って健康なヒト細胞に付着し、侵入する。動画：ロレンゾ・カサリーノ、ジード・ガイエブ、ロミー・アマロ／カリフォルニア大学サンディエゴ校

アマロ氏のシミュレーションは、コロナウイルスの構造に関する膨大な研究成果を統合し、統一されたモデルへと昇華させるものです。そして、その研究はわずか数ヶ月で大きな進歩を遂げました。1月末の時点では、科学者たちはSARS-CoV-2の外観について、最初のSARSウイルス（正式名称はSARS-CoV）など、関連するコロナウイルスに関する知識から得た大まかなイメージしか持っていませんでした。当時、米国疾病予防管理センター（CDC）は、この新型ウイルスの公式画像の作成を依頼しました。それは、ウイルスがヒト細胞に侵入するために用いるスパイクタンパク質である赤い斑点のある、しわしわの灰色の球体という、今では広く見られるイメージです。

しかし、CDCの図は全体像からは程遠い。まず、ウイルス粒子は一つ一つが同一ではない。研究者たちは現在、ウイルス粒子の中には球形もあれば、卵形に近いものもあることを観察している。粒子の大きさは様々で、直径は80ナノメートルから160ナノメートルまで及ぶ。横に並べると、約1,000個のコロナウイルスがまつげの幅ほどに収まることになる。

さらに、ウイルスのエンベロープは実際には灰色ではなく、スパイクも赤ではありません。病原体は小さすぎて色がありません。人間が色として認識するのは、主に光波が物体の表面で反射、あるいは吸収されることによって生じます。しかし、コロナウイルスは可視光線自体よりも小さく、その直径は可視光線の中で最も波長が短い紫色の光の波長域の約3分の1しかありません。

「これは非常に芸術的な解釈です」と、同僚のダン・ヒギンズと共にCDCの肖像画を制作した医療イラストレーターのアリッサ・エッカートは語る。「意図的に簡素化し、最も伝わりやすい形に仕上げました。」

薬やワクチンの設計には、より科学的に精密な画像が求められます。研究者たちは、微生物を4万倍以上に拡大し、極めて近接した撮影によってその構造の複雑さを解明しようとしています。例えば、2月には、テキサス大学オースティン校の生物学者ジェイソン・マクレラン氏と彼のチームが、コロナウイルスのスパイクタンパク質の高倍率3D画像を公開しました。

研究チームは、実際のウイルスの表面に付着した野生型スパイクタンパク質を研究したわけではない。代わりに、中国の科学者が1月11日に公表した、タンパク質合成の指示を含むウイルスゲノムの一部を再現した。マクレラン氏の研究チームは、これらの遺伝子を培養したヒト胎児腎細胞に導入し、スパイクタンパク質を生成させた。そして、これらのタンパク質を抽出し、画像化した。

マクレラン氏のチームは、クライオ電子顕微鏡法と呼ばれる手法を用いて、タンパク質スパイクの画像を撮影した。この手法では、微細なメッシュに付着した凍結した個々のタンパク質に細い電子ビームを照射する。光速に近い速度で移動する電子は、タンパク質の原子に反射して検出器に当たる。検出器上に映し出されたパターンが画像を形成する。研究者たちはこのプロセスを繰り返し、メッシュ上に異なる方向を向いたタンパク質の画像を数千枚作成する。「その後、アルゴリズムを用いて、それら全ての異なる視点を提供できる物体を再現しようと試みます」とマクレラン氏は語る。

当社のコロナウイルス関連記事はすべてこちらでご覧ください。

他の研究者たちは、ウイルスの構造を研究するためにX線結晶構造解析と呼ばれる手法も用いています。この手法では、対象となる生物学的分子の複数のコピーを整然と並べ、結晶を形成します。そして、その結晶にX線を照射し、透過したX線によって生じる影と明暗の領域からウイルスの構造を推測します。分子を結晶構造にするのは、使用するX線の量を減らすためです。X線を照射しすぎると、分子が粉々に砕けてしまう可能性があります。（ロザリンド・フランクリンは、X線結晶構造解析を用いてDNAの二重らせん構造を発見しました。）

アマロ氏のチームは、これらの手法から得られた様々な結果を統合し、ウイルスの外観全体をシミュレートしています。マクレラン氏のスパイク画像、X線結晶構造解析結果、その他の測定値などのデータソースを用いて、アマロ氏のチームは既にスパイクタンパク質の動くシミュレーションを公開しています。

このタンパク質はグリカンと呼ばれる糖で覆われており、健康なヒトの細胞が同じグリカンで覆われているのと同じように、この糖がウイルスをヒトの免疫システムからカモフラージュしている。「これは『グリカンシールド』と呼ばれています」とアマロ氏は言う。実際には、このタンパク質の先端部だけがこの糖のカモフラージュを欠いている。アマロ氏は、シミュレーションで灰色に塗った、露出した小さな部分を指摘する。これは、健康な肺細胞の受容体にくっついて人に感染する部分で、ウイルスの主要な感染機構であり、「刺されたくないものです」とアマロ氏は言う。医薬品開発者は、アマロ氏のシミュレーションを使用して、露出した灰色の先端部に付着して病原体を無力化する分子を設計できる可能性がある。この研究は、ウイルスの主な武器が、おそらくアキレス腱でもあることを示している。

研究者たちは、感染を防ぐ鍵となるスパイクタンパク質の研究に特に重点を置いています。しかし、コロナウイルスの挙動に関する謎は他にも残っています。特にアマロ氏は、ウイルスが感染開始時にヒト細胞に初めて遭遇すると何が起こるのかをより深く理解したいと考えています。この目的のため、彼女のチームは、模擬宿主細胞の一部に近づくウイルスの動きをモデル化する予定です。「まだ解明されていない疑問がたくさんあります」と彼女は言います。さらなる研究によって、この目に見えない敵の正体を完全に解明できると期待されています。

WIREDのCOVID-19に関するその他の記事