Coronavirusul într-o picătură minusculă. Oamenii de știință au recreat călătoria SARS-CoV-2 de la o persoană la alta

Pentru a crea modelul, cercetătorii au avut nevoie de unul dintre cele mai mari supercalculatoare din lume în efortul de a asambla 1,3 miliarde de atomi și a urmări toate mișcările lor până la mai puțin de o milionime de secundă.

Călătoria SARS-CoV-2 de la o persoană la alta

Acest tur de forță computațional oferă o privire fără precedent asupra modului în care virusul supraviețuiește în aer liber pe măsură ce se răspândește la o nouă gazdă.

„Punerea unui virus într-o picătură de apă nu s-a mai făcut până acum”, a spus Rommie Amaro, biolog la Universitatea din California, San Diego, care a condus lucrarea, dezvăluită la Conferința Internațională pentru Calcul de Înaltă Performanță, Rețele, Stocare și Analiză de luna trecuta. „Oamenii nu au văzut niciodată cum arată așa ceva”, a mai spus el potrivit The New York Times,

Picături și aerosoli

Modul în care coronavirusul se răspândește prin aer a devenit subiectul unei dezbateri aprinse la începutul pandemiei.

Digi24.ro

O femeie a găsit o poșetă în care erau acte, bani și telefoane lângă gara din Arad. A luat-o și acum e reținută

Mulți oameni de știință au susținut opinia tradițională conform căreia cea mai mare parte a transmiterii virusului a fost posibilă prin picături mai mari, adesea produse în tuse și strănut.

Acele picături pot călători doar câțiva metri înainte de a cădea sol.

Dar studiile epidemiologice au arătat că persoanele cu Covid-19 i-ar putea infecta pe alții la o distanță mult mai mare.

Chiar și doar a vorbi fără măști într-un spațiu interior slab ventilat, cum ar fi un bar, o biserică sau o sală de clasă, a fost suficient pentru a răspândi virusul.

Aceste descoperiri au indicat picături mult mai mici, numite aerosoli, ca vehicule importante de infecție. Oamenii de știință definesc picăturile ca având un diametru mai mare de 100 de micrometri.

Digisport.ro

FOTO Gest golănesc, fără precedent, al unui luptător către fata din ring! Ce a urmat depăștește orice imaginație

Aerosolii sunt mai mici – în unele cazuri atât de mici încât doar un singur virus poate încăpea în ei. Și datorită dimensiunilor lor minuscule, aerosolii pot pluti în aer ore întregi.

Totuși, virușii nu pot supraviețui pentru totdeauna în aerosoli. Cercetătorii descoperă adesea că virușii colectați din aer au devenit atât de deteriorați încât nu mai pot infecta celulele.

Este posibil ca, pe măsură ce aerosolii se evaporă, aerul să distrugă structura moleculară a virusului. Sau chimia din interiorul picăturii mici poate deveni prea ostilă pentru ca ei să supraviețuiască.

„În acest moment, nu înțelegem cum se întâmplă asta”, a spus Linsey Marr, profesor de inginerie civilă și de mediu la Virginia Tech, care nu a fost implicat în noul studiu.

Microscoapele care pot capta imagini detaliate cu ceea ce se întâmplă în interiorul unui aerosol încărcat cu virusuri nu au fost încă inventate.

În martie 2020, dr. Amaro și colegii ei au decis că cea mai bună modalitate de a deschide această cutie neagră a fost să construiască propriul aerosol încărcat cu virus.

Cercetătorii au început prin a crea un model al coronavirusului, cunoscut sub numele de SARS-CoV-2, din 300 de milioane de atomi virtuali.

Au combinat mii de molecule de acizi grași într-o înveliș de membrană, apoi au adăpostit sute de proteine ​​în interior.

Unele dintre aceste proteine ​​sunt importante deoarece mențin membrana virusului intactă. Altele, numite proteine ​​spike, formează structuri asemănătoare florilor care se ridică cu mult deasupra suprafeței virusului. Vârfurile proteinelor spike se deschid uneori spontan, permițând virusului să se prindă de o celulă gazdă și să invadeze.

Construirea unui aerosol

După ce și-au construit virusul, dr. Amaro și colegii ei au făcut un aerosol în care să-l introducă. Folosind un miliard de atomi, au creat o picătură virtuală care măsoară un sfert de micrometru în diametru, mai puțin de o sutime din lățimea unei șuvițe de păr uman.

Totuși, cercetătorii nu au putut simula aerosolul ca un strop de apă pură. Când un aerosol se eliberează din lichidul din plămânii noștri, poartă o tocană de alte molecule din corpul nostru.

Acea tocană include mucine, care sunt proteine ​​lungi, pline de zahăr din mucoasa plămânilor. Aerosolii transportă, de asemenea, fluid pulmonar profund și agenți tensioactivi care ajută la împiedicarea ramurilor delicate ale căilor noastre respiratorii să se lipească.

Odată ce virusul a fost încărcat într-un aerosol, oamenii de știință s-au confruntat cu cea mai mare provocare a proiectului: aducerea picăturii la viață.

Dr. Amaro și colegii ei au calculat forțele care lucrează pe întregul aerosol, ținând cont de ciocnirile dintre atomi, precum și de câmpul electric creat de sarcinile acestora.

Ei au determinat unde fiecare atom va fi patru milionimi de miliardime de secundă mai târziu.

Pentru a efectua acest set vast de calcule, cercetătorii au trebuit să preia supercomputerul Summit de la Laboratorul Național Oak Ridge din Tennessee, al doilea cel mai puternic supercomputer din lume.

Deoarece mașina era la mare căutare, ei și-au putut rula simularea doar de câteva ori. „Avem doar un număr limitat de șanse pentru a vedea dacă putem face ca acest lucru să zboare”, a spus dr. Amaro.

Prima încercare a fost un dezastru. Defecte minuscule ale modelului lor au făcut ca atomii virtuali să se ciocnească unul de altul, iar aerosolul a explodat instantaneu.

După o jumătate de duzină de ajustări, aerosolul a devenit stabil. Cercetătorii au efectuat calculele din nou pentru a vedea ce s-a întâmplat în interiorul aerosolului o clipă mai târziu.

În total, au creat milioane de cadre dintr-un film care a surprins activitatea aerosolului timp de zece miliarde de secundă.

„Deși modelarea moleculară nu este un lucru nou, amploarea acestui lucru este la nivelul următor”, a spus Brian O’Flynn, cercetător postdoctoral la Spitalul de Cercetare pentru Copii St. Jude, care nu a fost implicat în studiu.

Activitatea frenetică la care au asistat Dr. Amaro și colegii ei a oferit indicii despre modul în care virușii supraviețuiesc în aerosoli.

Mucinele, de exemplu, nu s-au plimbat liniștite în jurul aerosolului. Mucinele încărcate negativ au fost atrase de proteinele spike încărcate pozitiv.

Atomi încărcați, cum ar fi calciul, zboară în jurul picăturii, exercitând forțe puternice asupra moleculelor pe care le întâlnesc.

Dr. Amaro a speculat că mucinele acționează ca un scut. Dacă virusul se mișcă prea aproape de suprafața aerosolului, mucinele îl împing înapoi, astfel încât să nu fie expus la aerul mortal.

„Ceea ce credem noi este că de fapt se acoperă în aceste mucine și care acționează ca un strat protector pentru el în timpul zborului”, a spus dr. Amaro.

Delta și Omicron

Această descoperire poate ajuta la explicarea modului în care varianta Delta a devenit atât de răspândită. Proteinele Spike ale Delta au o sarcină mai pozitivă decât cele de pe formele anterioare ale coronavirusului.

Ca urmare, mucinele se înghesuie mai strâns în jurul lor. Această atracție ar putea face din mucine un scut mai bun.

Din când în când, unul dintre coronavirusurile simulate deschidea o proteină spike, surprinzând oamenii de știință. „Varianta Delta se deschide mult mai ușor decât tulpina originală pe care am simulat-o”, a spus dr. Amaro.

Odată ce un coronavirus intră în nasul sau în plămânii cuiva, deschiderea largă proteinei spike a variantei Delta îl poate ajuta să infecteze o celulă mai bine.

Dar dr. Amaro bănuiește că este rău ca un coronavirus să deschidă o proteină spike atunci când se află încă într-un aerosol, poate la câteva ore distanță de a infecta o nouă gazdă. „Dacă se deschide prea devreme, s-ar putea să se destrame”, a spus dr. Amaro.

Unele dintre moleculele care sunt abundente în aerosoli ar putea fi capabile să blocheze proteina spike pe timpul călătoriei, a spus ea. Anumiți agenți tensioactivi pulmonari pot intra într-un buzunar de pe suprafața proteinei spike, împiedicând-o să se deschidă.

Pentru a testa această idee și a explora altele, dr. Amaro și colegii ei prelungesc intervalul de timp al simulării lor de o sută de ori, de la zece miliarde de secundă la o milione de secundă.

Ei vor investiga, de asemenea, modul în care aciditatea din interiorul unui aerosol și umiditatea aerului din jurul acestuia pot schimba virusul.

Dr. Amaro și colegii ei fac planuri pentru a construi în continuare o variantă Omicron și pentru a observa cum se comportă într-un aerosol.

Ei vor să aștepte ca biologii structurali să elaboreze forma tridimensională a proteinelor sale de vârf înainte de a începe.

Dar doar privind primele descoperiri despre Omicron, dr. Amaro vede deja o caracteristică importantă: „Este încărcat și mai pozitiv”, a spus ea.

Deoarece proteinele spike ale variantei Omicron sunt încărcate chiar mai pozitiv decât cele ale variantei Delta, poate construi un scut de mucină mai bun în aerosoli. Și asta poate ajuta să-l facă și mai transmisibil.

Dr. Marr a spus că simularea ar putea permite în cele din urmă oamenilor de știință să prezică amenințarea viitoarelor pandemii. Ei ar putea construi modele atomice de viruși nou descoperiți și le-ar putea pune în aerosoli pentru a-i vedea cum se comportă.

„Acest lucru are implicații pentru înțelegerea virusuilor emergente despre care nu știm încă”, a spus dr. Marr. „Mai este mult de parcurs până acolo”, a mai spus ea, „dar acesta este cu siguranță un prim pas mare.”