SARS-CoV-2 Spike蛋白Beta变体的红外光谱指纹与分子动力学解析：揭示病毒适应性进化的结构基础

本研究针对SARS-CoV-2 Beta变异株S1亚基的二级结构特征展开多学科交叉研究。通过ATR-IR光谱结合分子动力学(MD)模拟和DSSP分析，首次揭示该变异株富含反平行β-折叠(39%)的独特结构指纹，并发现其较野生型更具亲水性(Gravy值-0.257)。研究为理解病毒逃逸疫苗保护的分子机制提供了关键结构依据，对开发针对性干预策略具有重要意义。

　　

新型冠状病毒SARS-CoV-2的持续变异给全球疫情防控带来严峻挑战，其中Beta变异株因其突出的免疫逃逸能力备受关注。该变异株在Spike蛋白的受体结合域(RBD)携带K417N/E484K/N501Y/D614G等关键突变，导致疫苗效力显著降低。然而，这些突变如何影响病毒蛋白的结构动态特性，进而增强其适应性的分子机制尚不明确。

意大利罗马大学物理系的研究团队在《European Biophysics Journal》发表创新性研究，首次采用衰减全反射红外光谱(ATR-IR)结合计算模拟方法，系统解析了Beta变异株S1亚基的二级结构特征。通过600 ns分子动力学模拟、DSSP二级结构分配和亲水性计算，揭示了突变诱导的构象变化与功能关联。

关键技术包括：(1)ATR-IR光谱在pH 7.4条件下检测S1蛋白酰胺I带(1590-1720 cm^-1)；(2)ColabFold预测蛋白三维结构；(3)CHARMM22*力场进行600 ns分子动力学模拟；(4)DSSP算法静态分配二级结构；(5)Protein-sol软件计算表面亲水性。

Spectroscopic secondary structure fingerprint
通过二阶导数谱和多重高斯拟合，发现Beta变异株S1的酰胺I带最大吸收位于1650±1 cm^-1，解析出39% β-折叠（其中21%来自1638 cm^-1处的反平行β-折叠）、8% α-螺旋和27% β-转角。与野生型相比，1629 cm^-1处的低频位移提示存在多梯度的β-折叠结构。

AlphaFold2, DSSP assignment and molecular dynamics simulations
ColabFold预测显示S1存在"开放"和"闭合"两种构象。MD模拟表明初始开放构象在300 ns后自发转变为闭合状态（Rg从3.81±0.14 nm降至2.96±0.02 nm），而闭合构象保持稳定（Rg 3.13±0.02 nm）。DSSP分析确认闭合构象含42% β-折叠，与IR结果高度一致。

Hydrophobic calculations and surface polarity computation
氨基酸组成分析显示40%疏水性残基（Val/Leu/Phe为主），但整体呈亲水性（Gravy值-0.257）。NPP表面比计算发现RBD域存在"亲水表面-疏水核心"的特殊结构，E484K等突变增强了表面亲水斑块，可能促进宿主细胞附着。

该研究首次建立Beta变异株S1的结构-功能关联模型：①突变诱导的反平行β-折叠增加（较野生型高5%）增强了蛋白机械稳定性；②RBD域表面亲水性提升与免疫逃逸表型相关；③构象动态分析揭示闭合构象为能量最低状态。这些发现为理解病毒适应性进化提供了分子水平解释，对设计广谱疫苗和开发基于红外光谱的快速检测技术具有重要指导价值。研究展示的多学科方法框架可扩展应用于其他变异株的结构特征解析。