卢永华，张光先

（1.家蚕基因组生物学国家重点实验室，重庆 400716；2.西南大学蚕桑纺织与生物质科学学院，重庆 400716）

新冠肺炎疫情自出现以来，短时间内几乎传遍世界各地［1］，其部分突变体传染性越来越强，特别是B.1.1.529（Omicron）受到空前关注。可是，关于新冠病毒高传染性的研究报道很少，特别是对其突变体具有更高传染性的研究报道更少。Wrap 等［2］通过冷冻电镜观察发现新冠病毒的刺突蛋白与ACE2 结合比SARS-CoV 更紧密，但是没有给出具体原因；部分报道认为是新冠病毒的刺突蛋白前后两部分的中间区域突变引入Ferlin 片段所致［3-6］，理由是病毒感染后如果刺突蛋白前端被酶切除，病毒更容易进入细胞内部而引起感染，而Ferlin 片段是一个酶切位点，新冠病毒因为引入该片段导致传染性增强。然而，部分新冠病毒突变体具有更强的突变性，却没有增加更多的Ferlin 片段。

从生物物理的角度来看，病毒与受体结合产生的感染性与大分子间的相互作用直接相关，分子间作用力最强的应该是电荷作用力，其次是极性基团间的作用力、氢键力和狭义的范德华力。但如果基团平面性好，则比普通基团的作用力强，如酪氨酸残基间的作用力。因此，新冠病毒及其突变体在电荷及其分布方面有不容忽视的研究意义。结合对部分新冠病毒突变体、ACE2 带电荷数的分析［7］，本文系统探索新冠病毒及其高传染性突变体的高传染机理。

1 蛋白带电荷数计算

多聚电解质如蛋白质大分子带负电荷数X采用如下公式计算［8］：

式中，Kai是某酸性氨基酸残基的电离常数；mi是蛋白质分子中某个酸性氨基酸残基数［蛋白质分子中主要是酸性氨基酸残基（谷氨酸残基和天冬氨酸残基）会大量电离而带负电荷］。

蛋白质大分子带正电荷数Y采用如下公式计算：

式中，Kbi为某种碱性氨基酸的电离常数；ni为某种碱性氨基酸残基（主要是精氨酸残基、赖氨酸残基和组氨酸残基）数在蛋白中的数量。由于结合H+的组氨酸残基电离常数太大，在中性条件下，组氨酸对蛋白带正电荷数的贡献很小。

蛋白的净电荷数H采用如下公式计算：

负电荷数的计算误差ΔX采用如下公式计算：

式中，ΔKai为某种酸性氨基酸残基的电离常数Kai的偏差值。

正电荷数的计算误差ΔY计算公式如下：

式中，ΔKbi为某种碱性氨基酸残基的电离常数Kbi的偏差值。

Kai、Kbi、ΔKai和ΔKbi的值列于表1中。

表1 碱性氨基酸残基和酸性氨基酸残基的电离常数

表2 是ACE2、SARS-CoV 和SARS-CoV-2 中能电离氢离子产生负电荷的酸性氨基酸残基数和能结合氢离子带正电荷的碱性氨基酸残基数。

表2 ACE2、SARS-CoV 和SARS-CoV-2 中酸性和碱性氨基酸残基数

2 结果与讨论

2.1 ACE2、Ss和Sp带电荷数分布及新冠病毒高传染机理

表3是ACE2、Ss和Sp在人体平均pH 7.3时带的电荷数分布，SARS-CoV 和SARS-CoV-2 的第一亚单位Ss1和Sp1都是从N 端开始的第13～685 氨基酸，后面是Ss2和Sp2。由于人体pH 在7.25～7.35 之间，所以选择7.3作为人体平均pH。

由表3 可知，电荷数的偏差与电荷数相比很小，表明该方法计算得到的数据可靠。氨基酸的电离常数在不同环境条件下相差10 倍以上，其偏差仍然很小，计算数据仍然可靠。这是因为与人体血液近中性的氢离子浓度相比，酸性氨基酸与碱性氨基酸的电离常数相差1 000倍左右。

表3 ACE2、Ss和Sp在pH 7.3 时带的电荷数分布

由表3 还可知，ACE2 带大量负电荷，SARS-CoV的整个刺突蛋白带15.6 个负电荷，而SARS-CoV-2 的刺突蛋白虽然仍然带负电荷，但数量大幅减少（6.6个）。对其电荷数在亚单位的分布计算显示，SARSCoV 在2 个亚单位所带负电荷基本相等，而新冠病毒所带电荷分布严重不均：在前端的Sp1带较多正电荷，负电荷数后移，Sp2带11.8 个负电荷。因此，新冠病毒的高传染性主要是新冠病毒刺突蛋白前端Sp1所带正电荷与受体ACE2 所带大量负电荷的静电相互作用所致（电荷分布与作用模式见图1）。

图1 SARS-CoV 和SARS-CoV-2 与ACE2 的电荷分布与作用模式

2.2 新冠突变体电荷分布

由表4 可以看出，受关注的新冠病毒突变体带有更多的正电荷，与新冠病毒受体的静电作用更强，传染性更强。目前在全世界范围内大规模传播且传染性较强的主要是Delta 病毒，带正电荷最多；在Delta病毒广泛传播之前主要是Beta 病毒，它是除Delta 病毒之外带正电荷最多的病毒；在欧洲广泛传播的B.1.1.7+E484K 病毒所带正电荷与Beta 病毒相同，只是其中一个正电荷位于刺突蛋白Sp2区的后端，所以传播能力稍弱。表4的计算结果基本与新冠病毒突变体的传染情况相符。

表4 世卫组织（WHO）重点关注的新冠病毒突变体在pH 7.3 时的电荷分布情况［1，10-21］

刚出现的新冠病毒突变体Omicron（B.1.1.529）首先具有相当多的突变数，是Delta 病毒的3 倍多。最重要的是其带有大量正电荷，虽然有4个正电荷处于Sp2上，但是比较靠前，所以预计Omicron 的传染性比Delta 病毒更强。

2.3 驱离型新冠病毒口罩

新冠病毒及其高传染突变体的传播优势是其刺突蛋白带有较多正电荷，与受体产生的大量负电荷相互作用产生高传染性，这也是弱点和缺陷。用印染助剂将口罩材料改性可以制备成表面含有大量阳离子的排斥杀毒型口罩（中间层制作成捕获杀毒阴离子层），在新冠病毒接近时，表面层可以驱离新冠病毒，中间层可以捕杀漏网病毒，从而提高口罩的防护性能。这种口罩的结构设计如图2所示。

图2 排斥杀毒型口罩结构示意图

2.4 捕获型换气系统材料

在公共场所，特别是医院、公共交通工具的换气系统、空调系统中，需要对新冠病毒进行高效捕杀以预防传染。新冠病毒特别是传染性强的突变体（如Delta 病毒和Omicron 病毒），刺突蛋白所带正电荷很多，用印染助剂制备的“仿生”带负电荷材料（强清除病毒和杀毒过滤组件，结构设计如图3 所示）可以用于公共场所实现高效捕杀预防。

图3 强清除病毒和杀毒过滤组件

3 结论

通过对SARS-CoV、SARS-CoV-2 及其VOC 突变体刺突蛋白、血管紧张素蛋白电荷及其分布的分析显示，SARS-CoV-2 及其VOC 突变体的刺突蛋白主要通过Sp1突变带正电荷，而与带大量负电荷的ACE2具有强电荷作用力，可以实现高传染。Delta 病毒和Omicron 病毒带有很多正电荷，特别是Omicron 病毒，整个亚单位Sp1都带正电荷。建议使用带大量正电荷的材料制备口罩以驱离病毒，或用带大量负电荷的“仿生ACE2”无纺面料制备通风系统材料捕杀新冠病毒，以提高防疫效果。