2021年5月，美國疾病控制中心(CDC)正式承認SARS-CoV-2–引起COVID-19的病毒–是空氣傳播的，這意味着它是通過空氣高度傳播的。現在，加州大學聖地亞哥分校化學和生物化學教授和捐贈主席Rommie Amaro跟美國各地和世界各地的合作夥伴一起首次在氣溶膠內建立了德爾塔病毒的模型。
這項工作入圍了戈登貝爾獎，該獎項由美國計算機協會每年頒發，以表彰高性能計算方面的傑出成就。Amaro領導的團隊去年因對全原子SARS-CoV-2病毒和該病毒的刺突蛋白進行建模以了解其行為方式和進入人體細胞的方式而獲得該獎項。
“連續第二年入圍戈登貝爾獎，這真是太好了，”Amaro說道，“但不僅如此，我們對這項工作有可能加深我們對病毒如何通過氣溶膠傳播的理解感到非常興奮。這些影響可能會改變我們看待空氣傳播疾病的方式。”
氣溶膠是微小的。一根人類頭髮的直徑約為100微米。飛沫–想想你打噴嚏時從你的嘴巴和鼻子里噴出來的飛沫–大於100微米，並在幾秒鐘內落到地上。相比之下，氣溶膠–僅是通過呼吸和說話產生的–是所有小於100微米的東西，其可以在空氣中漂浮數小時並進行遠距離傳播。
大氣化學傑出主席、氣溶膠對環境化學影響中心(CAICE)主任Kim Prather廣泛地研究了海霧和海洋氣溶膠。幾年前，她跟Amaro取得聯繫，指出這些氣溶膠中的含量遠遠超過了海水。
Prather說道：“過去通常的想法是，海洋氣溶膠只包含鹽水。但我們發現有大量的海洋生物在裡面，包括蛋白質和病毒。我不僅認為Rommie會對研究這個感興趣，而且認為她的工作可以真正有利於幫助我們更好地了解氣溶膠的組成和運動以及空氣中的生存。”
Amaro的實驗室開始利用Prather在海霧方面的工作開發氣溶膠外觀的計算機模型。這些模擬為Amaro和她的小組了解一般用於研究氣溶膠的實驗方法和工具鋪平了道路，另外還開發了一個有用的框架來建立、模擬和分析複雜的氣溶膠模型。
當SARS-CoV-2在2020年初出現時，她開始對該病毒進行建模並能顯示出它是如何通過一種叫做糖衣的糖衣覆蓋刺突蛋白來感染宿主細胞的。
氣溶膠科學家一直懷疑SARS-CoV-2是通過空氣傳播的，因此研究氣溶膠中的病毒提供了一個用證據來支持這些懷疑的機會。通過利用實驗室已經在做的氣溶膠工作和實驗室還在做的病毒工作，Amaro將二者結合了起來。
“正是這些細小的氣溶膠可以走得最遠並進入肺部深處，而這可能是毀滅性的，”Amaro說道，“沒有任何實驗工具，沒有任何顯微鏡可以讓人們看到如此詳細的顆粒，但這種新的計算顯微鏡讓我們看到病毒發生了什麼–它如何移動，它如何在飛行中保持感染性。能夠看到某樣東西的樣子，看到各部分是如何組合在一起的，這有一種非常強大的力量–它從根本上改變了人們甚至想到要問的各種問題。”
為了更好地了解病毒如何在氣溶膠內移動和生存，Amaro跟來自全球各地的52個團隊合作–包括橡樹嶺國家實驗室–使用他們的Summit超級計算機來模擬模型。Summit是世界上少數能進行這些大規模模擬的超級計算機之一，它使研究人員能夠看到前所未有的10億個原子的氣溶膠。
這些模擬包括病毒膜的更複雜的細節以及氣溶膠的可視化。除了SARS-CoV-2病毒之外，這些亞微米級的呼吸道氣溶膠還含有粘蛋白、肺表面活性劑、水和離子。
粘蛋白是一種聚合物，在包括呼吸道在內的人體大部分潮濕的表面上排列，它們可能能起到保護病毒免受陽光等惡劣的外部因素影響的作用。Amaro的團隊正在探索的一個假設是SARS-CoV-2的德爾塔變體是否更具傳播性，部分原因是它似乎跟粘液蛋白的互動如此之好。
現在模型已經建立，Amaro希望正式創建一個實驗以測試氣溶膠病毒運動的預測。另外，她還在開發工具以研究濕度、風和其他外部條件如何影響氣溶膠中病毒的傳播和壽命。
除了儘可能多地了解SARS-CoV-2是如何運作的迫切需求之外，氣溶膠的計算機模型可以產生廣泛的影響，其中包括氣候科學和人類健康。
加州大學聖地亞哥分校醫學院醫學系教授Robert”Chip”Schooley博士表示：“我們在大流行期間了解到的是，氣溶膠是傳播病毒的主要動力之一，它們在許多其他呼吸道病原體傳播中的重要性一直被系統地低估了。我們對氣溶膠的了解越多以及它們如何承載病毒和污染物如煙塵、對健康有不利影響，我們就越有能力創造有效的治療和緩解措施。這有利於全世界人民的公共健康和福祉。”