Virus som kommunikationsmolekyler:Modellering af viral aerosoloverførsel

Hvor længe forbliver virusfyldte partikler i en elevator, efter at en person, der er inficeret med COVID-19, forlader det? Og er der en måde at opdage disse partikler på? En gruppe elektriske ingeniører og dataloger ved KAUST satte sig for at besvare disse spørgsmål ved hjælp af matematiske væskedynamikligninger.

"Vi fandt ud af, at virusfyldte partikler stadig kan detekteres flere minutter efter en kort elevatortur af en inficeret person, " siger KAUSTs elektroingeniør Osama Amin.

Holdets ligninger og åndedrætssimuleringer tyder på, at en biosensors evne til at opdage en virus forbedres, når den placeres på en elevatorvæg, der kan reflektere partikler. Også, for at beskytte fremtidige beboere, mængden af ​​partikler i luften kan reduceres ved at gøre de tre andre vægge absorberende.

Amin og hans kolleger hos KAUST har arbejdet på at udvikle et utraditionelt kommunikationskoncept kaldet "kommunikation via åndedræt". Konceptet modellerer kemiske og biologiske molekyler, der udsendes i udåndet åndedræt, som om de er informationsbærere i et kommunikationssystem, der kan detekteres i den anden ende af en "modtager, " i dette tilfælde en biosensor.

"Denne form for undersøgelse kræver input fra forskere med varieret ekspertise inden for teoretisk kanalmodellering, systemdesign og integration, og maskinlæringsordninger, " siger Amin.

I deres tidligere arbejde, de brugte ligninger til at forstå, hvordan udåndede molekyler spredes i åbne rum. De foreslog også et sensorsystem, der kan detektere molekyler udåndet fra folks ånde ved massesamlinger.

I deres nuværende arbejde, de udviklede en model og simuleringer, der beskriver, hvad der sker med molekyler, der udåndes i åndedrættet i et lukket rum over rum og tid. Deres modellering tog højde for væggenes evner til at absorbere eller reflektere partikler. Da deres modeller var i stand til at beskrive, løse og simulere virus-ladet partikelkoncentration i et lille rum over rum og tid, forskerne arbejdede på at beregne sandsynligheden for, at en biosensor kunne detektere disse partikler.

Beregningerne antog udbredelsen af ​​en biosensor, der bruger antistoffer til at binde sig til en specifik virus og initiere et signal. De tegnede sig også for parametre såsom aerosolprøvetagningstid og volumen, prøveudtagningseffektivitet og sandsynligheden for, at antistofferne binder til en virus.

"Vores undersøgelse giver vitale matematiske og simuleringsudstyr til vores førende forskning i kommunikation via åndedræt, som vi håber vil blive brugt til flere analyser og systemdesign, " siger KAUST datalog Basem Shihada.

Holdet udvikler nu en aerosolprøveudtagnings- og detektionsprototype for organiske kemikalier udåndet i åndedrættet. "Vi planlægger også at foreslå mekanismer, der reducerer sandsynligheden for infektion i små rum, herunder ventilationsmekanismer, periodisk luftsanering og design af absorberende og reflekterende vægge, " siger Shihada.