摘要：抗生素作为一种能抑制和杀灭细菌的药物，已被广泛用于医疗卫生、畜禽养殖、农业生产等行业，为社会的经济发展做出了很大的贡献。阐述VR+物联网和基于核酸适配体的计算机虚拟筛选技术在核酸适配体发现中应用的过程，对近年来有关计算机虚拟筛选技术在生物科学和药理学领域中的应用进展进行了简述。随着科技的急速发展，VR+物联网的计算机虚拟筛选技术必将深刻的改变传统新型抗生素核酸适配体研究开发的思路，为今后多种抗生素快速检测及特异核酸适配体的开发奠定了良好的基础。

关键词：虚拟现实;虚拟筛选;抗生素;核酸适配体

抗生素作为一种能抑制和杀灭细菌的药物，已被广泛用于医疗卫生、畜禽养殖、农业生产等行业，为社会的经济发展做出了很大的贡献。在畜禽养殖业抗生素主要是作为饲料添加剂，用于预防和治疗动物的疾病以及促进动物的生长。但是畜禽养殖业中抗生素的不合理应用的现象已经很普遍，所以需要抗生素检测手段来规范这种现象。

中企顾问网发布的《2021-2027年中国抗生素检测市场评估与产业竞争格局报告》共十四章。首先介绍了抗生素检测相关概念及发展环境，接着分析了中国抗生素检测规模及消费需求，然后对中国抗生素检测市场运行态势进行了重点分析，最后分析了中国抗生素检测面临的机遇及发展前景。数据主要采用国家统计数据，海关总署，问卷调查数据，商务部采集数据等数据库。其中宏观经济数据主要来自国家统计局，部分行业统计数据主要来自国家统计局及市场调研数据，企业数据主要来自于国统计局规模企业统计数据库及证券交易所等，价格数据主要来自于各类市场监测数据库。

1.VR+物联网的核酸适配体虚拟筛选技术概述

VR+物联网的核酸适配体虚拟筛选技术的结合涉及3个主要方面的工作：基于核酸适配体的虚拟筛选、VR+物联网技术应用和交互设备选择。抗生素检测技术的迅速发展，促进了计算机虚拟筛选技术在抗生素核酸适配体开发中的应用。基于核酸适配体的计算机虚拟筛选技术必将深刻的改变传统抗生素检测和微观分子研究的整体思路和策略。

利用HTCVive设备设计了交互控制方法，使得用户能够便捷使用“VR+物联网”核酸适配体虚拟筛选系统。试验表明所提系统能够增强用户在微观世界探索知识和分析解决问题的体验。VR+物联网和基于核酸适配体的计算机虚拟筛选技术在核酸适配体发现中应用的过程，对近年来有关计算机虚拟筛选技术在生物科学领域中的应用进展进行了简述。随着科技的急速发展，计算机虚拟筛选技术必将深刻的改变传统新型抗生素核酸适配体研究开发的整体思路和策略也为今后多种抗生素快速检测及特异核酸适配体的开发奠定了良好的基础。

2.VR+物联网的核酸适配体虚拟筛选面临的问题

目前VR交互性设备主要有Oculus Rift、PS VR、HTC Vive等。Oculus Rift、PSVR设备存在一定延迟、追踪距离短等问题。HTC Vive设备的定位器能同时追踪显示器和手柄的位置， 并且头戴显示器使用一块2 K分辨率屏幕降低了画面的颗粒感， 不会产生延迟和眩晕。

从理论上来说，一个完整的分子生物学实验要涉及DNA、RNA提取、（RNA反转录）、PCR扩增、琼脂糖凝胶电泳、聚丙烯酰胺凝胶电泳等，或者是PCR扩增、T-A克隆、双酶切验证、琼脂糖凝胶电泳等。还有一些实验，如Southern、Northern杂交、Real-time PCR等分子生物学常规实验因耗时长或耗材贵而放弃深入研究，造成研究者对知识的掌握只是停留在理论层面。

VR技术+物联网技术在分子剖析研究中，每个分子在微观可视化的条件下都是一个单个的个体，研究分析的进度不再受传统方法约束，是一种多感觉的、沉浸式、低风险、高质量的模式，研究者在VR技术的加持下能在研究分子结构、模型构建上能够做到自主观察场景里所有的信息载体，同时接受全方位的信息，控制研究节奏结合自己的理解抓住重点信息。

3.VR+物联网的核酸适配体虚拟筛选技术特点

核酸适配体是指从人工合成的核酸文库中筛选得到的、能够高亲合性和高特异性地与蛋白质等生物分子靶标结合的单链寡核苷酸，具有类似抗体的识别功能。 传统的适配体人工筛选实验要通过重复十余次的吸附分配、洗脱回收及聚合酶链扩增（PCR）等三个基本步骤，存在操作复杂、流程冗长和易于污染等问题。

技能训练成本低。在传统实验研究中，操作过程复杂，进行的实验研究次数少，真正掌握技能目的难以达到，但VR技术可以改变这种现状，研究者在模拟环境下短时间进行多次训练，达到掌握技能的目的。模拟环境下不存在不安全因素，可以完美解决传统实验研究中的安全隐患问题。

4.VR+物联网的核酸适配体虚拟筛选技术原理

在物理方面学习路径构建的思路创新，利用VR技术构建物理学习路径一般可分两步走：一是利用VR技术丰富书本的图片或情境，主要作用于知识点的引入。将书本情境用虚拟技术渲染出来，迅速抓住学生的眼球。二是利用VR技术模拟课堂实验，把物理实验从空间、时间上多维度地呈现出来，帮助学生观察到清晰的、丰富的实验现象。利用AR/VR技术构建物理学习路径不是推翻原有的教学路径，而是在原有基础之上进行丰富。

核酸适配体传统筛选步骤如下（1）通过人工合成， 建立dsDNA随机序列库， 库容量通常在1014～1015之间， 每条序列由两端的恒定区和中间的随机区组成， 随机区的序列长度一般在30～40 nt之间，恒定区为PCR扩增所必须。若使用RNA文库， 则需在一端的恒定区加入噬菌体T7启动子， 可使DNA文库转化成RNA文库。与靶物质反应， 筛选出相互结合的靶物质2核酸复合体。筛选技术包括硝酸纤维膜过滤结合 ， 亲和层析 、聚丙烯酰胺凝胶电泳、按相对分子质量分级过柱等等。

将筛选到的蛋白2核酸复合物分离， 得到的核酸进行PCR扩增， 变性成单链以准备进行下一轮筛选。 若筛选对象为RNA， 则需先反转录为DNA， 然后扩增成为dsDNA并进行体外转录和下一轮筛选， 筛选的次数由文库的类型和每次循环所得特异性序列的富集程度决定。

研究适配体与抗生素靶标的作用机制和新型适配体开发的研究过程中发挥着极其突出的作用。通过分子对接软件来对小分子配体与抗生素大分子互相作用强弱进行研究，预测核酸适配体与抗生素结合的亲和力大小，进而寻找到最佳配体的结构。大多数对接工具的对接性能的好坏取决于目标化合物，以及在化合物分子中预测在哪一个精确的位置，这对于寻找最合适的靶点是可能的。通过比较两者之间的差异对接和筛选的准确性，具体筛选方法的选择还是取决于需要分析核酸适配体及活性部位的物理和化学性质。

从已知其化学结构的蛋白受体和配体出发，按照几何互补、能量互补等原则，计算出配体小分子与受体生物大分子相连接的方式的作用力及亲和力大小，并对结果进行打分，通过打分结果找到小分子配体与生物靶标大分子结合的最优构象，预测2个分子之间最佳的结合模式，最后将最佳配体进行实体药物筛选。检测生物活性，最终筛选出具有活性的先导化合物。

5.VR+物联网分子文件解析模型构建

采用冷冻电子显微镜技术，在低温下使用透射电子显微镜观察样品，即把样品冻起来并保持低温放进显微镜里面，再用高度相干的电子作为光源从上面照下来，透过样品和附近的冰层，受到散射。透射电镜的数据采集和分析;我们将冷冻电镜技术与物联网温度传感器、湿度传感以及光感传感器相结合获取颗粒物样品，并通过大量颗粒物样品的测定，可获得定量或半定量的结果，最后使用3dmax，maya等软件等三维建模获得分子模型的建立。

VR+物联网技术的沉浸式的模拟操作核酸适配体-抗生素大分子的对接、等待的时间就会极大缩短，短时间内通过对分子进行三维建模，选择合适的数据库，随后对大量核酸分子进行虚拟筛选，以找到亲和力稳定性特异性最好的核酸适配体分子，然后对核酸适体进行分子对接，通过分析核酸适配体与抗生素对接得分大小及结合效率检测出最佳配体复合物的稳定性。完成分子模型绘制后，系统得到的是以单个原子和单个化学键为对象的结构，为了让用户对整个受体模型进行操控，系统将模型对象进行分组管理，然后借助Stream VR 设备的控制手柄使用户能够对 Unity3D构建的抗生素受体模型分子进行旋转、缩放、控制虚拟筛选的流程。在交互过程中，系统对模型进行分组管理和动态更新，以避免虚拟场景中视图的延迟，保证手柄控制分子的移动是在模型分组的基础上对整个分组的坐标进行变换。

据共同社报道，世界卫生组织（WHO）12日发布首份关于全球滥用或过量摄入成为问题的抗生素使用量报告。在对65个国家和地区进行调查后发现，蒙古、伊朗、土耳其、苏丹和希腊消耗抗生素情况最为严重，其中蒙古平均每千人日均抗生素摄取量达64。41剂，差不多是排名第二的伊朗的1。7倍。WHO认为明显存在过量摄入的问题。但近年来出现被认为是过量摄入引发的耐药菌，让大多数抗生素无效的多重耐药菌成为公共卫生方面的重大威胁。此外，中低收入国家大多数并无用于多重耐药菌治疗的抗生素使用病例报告，WHO分析称"说明事实上有些国家对此束手无措"。而此次的调查结果中不包括被指摄入过量的美国和中国。由此看来，中国的抗生素滥用形势颇为严峻，抗生素检测机构任重而道远。据报道国内抗生素检测行业百分之九十以上依赖国外胶体金原料产品，缺少本土产品，核心问题是没有自身技术作为支撑，无法形成完整的国内抗生素检测研发部门、技术和产品生态产业链。

核酸适配体是一种经体外筛选技术-指数富集的配体系统进化技术，得到的结构化的寡核苷酸序列 （RNA或 DNA），核酸适配体（Aptamer）是一段DNA（脱氧核糖核酸），RNA（核糖核酸）序列，XNA（核酸类似物）或肽。核酸适配体（Aptamer）或核酸适体是一类具有特异性识别功能的单链DNA或者RNA核酸分子，其作用本质是核酸分子折叠形成特定三维结构而与生物靶标高亲和力和高特异性结合，具有与单克隆抗体相媲美的亲和力与特异性，适配体由DNA或RNA构成（主要是DNA），比蛋白质体积更小，经VR+物联网技术筛选后，可以拥有与抗原-抗体反应相匹敌的灵敏度，同时合成更容易，稳定性更好。不易受pH、温度等环境因素影响而变性，在识别抗生素的功能上体现出强大的优势。

6.VR+物联网的核酸适配体虚拟筛选技术的功能

VR+物联网的核酸适配体虚拟筛选就是在虚拟环境下，进行数据分析和三维模型构建。数据分析功能主要包括： （1） 载入数据， 系统将用户载入的分子文件作为提问分子。 （2） 格式判断， 系统通过文件后缀区分核酸适配体分子文件和抗生素大分子文件。 （3） 数据解析， 系统根据不同的文件类型， 采用不同的数据提取方式， 并将数据记录在文件中。 （4） 模型构建， 系统根据冷冻电镜得到的二维图像数据自动构建原子模型和化学键模型并初始化模型属性。

三维模型构建功能主要包括： （1） 载入分子建立数据库， 系统将用户选定的分子文件读取到系统中。 （2） 生成可视化三维结构， 系统使用Open Babel对分子进行三维构建结合VR交互性设备利用HTC Vive设备的定位器能同时追踪显示器和手柄的位置， 并且头戴显示器使用一块2 K分辨率屏幕降低了画面的颗粒感， 不会产生延迟和眩晕。  （3） 生成适配体构象， 系统使用多方位优化算法给三维结构的分子生成三维构象;（4） VR虚拟筛选， 系统将核酸适配体三维模型在数据库中进行与抗生素匹配度亲和力稳定性比较得到筛选结果。

参考文献

[1]黄培.MERS-CoV核酸可视化和数字化检测研究[D].吉林农业大学，2021.

[2]田伯凯，张华.新型冠状病毒肺炎疫情下血液制品安全性探讨[J].中国新药杂志，2021，30（19）：1794-1800.

[3]台萃，旷代，张萍，许杰，张薇，罗倩.肺炎克雷伯菌的芯片式数字PCR检测方法的建立[J].微生物学通报，2022，49（03）：1200-1213.

作者简介

涂瀚文（2001.3—）男，汉族，重庆，重庆电子工程职业学院，研究方向：计算机科学。

温跃铜（2003.5—）男，汉族，重庆，重庆电子工程职业学院，研究方向：计算机科学。

李欣（2003.10—）男，汉族，重庆，重庆电子工程职业学院，研究方向：计算机科学。