Fra kvantevibrationer til nanodiamanter, usædvanlig værktøjskasse sætter farlige SARS-CoV-2-varianter under overvågning

Med hver ny SARS-CoV-2-variant, der er dukket op, opstår der global panik for at bestemme trusselsniveauet. Men en gruppe kvantebiologer, ingeniører og virusfysikere mener, at vi allerede har værktøjerne til lettere at opdage - og stoppe - farlige coronavirus og deres varianter.

På APS martsmødet i 2022 vil forskerne diskutere, hvordan kvantevibrationer, molekylær kortlægning, genetisk hotspot-overvågning og nanodiamanter er klar til at afsløre hemmelighederne bag SARS-CoV-2's spikeprotein og RNA, hvilket fører til bedre diagnose, variantrisikovurdering, og behandling.

De deler deres resultater på en pressekonference torsdag den 17. marts 2022. Konferencen afholdes på stedet og streames via Zoom.

Alle SARS-CoV-2-vira bruger spidsproteinet til at få adgang til værtsceller - hvilket gør dette protein afgørende for at udvikle bedre vacciner og lægemidler. Men ét område af spidsens geografi er stadig svært at kortlægge:det nøjagtige sted, hvor virussen binder sig.

Så Karissa Sanbonmatsu, en Los Alamos National Laboratory-strukturbiolog, anvendte sammen med Chang-Shung Tung de nyeste beregningsmetoder for at finde ud af regionens molekylære sammensætning.

"Vi præsenterer nye modeller af den del af spidsproteinet, der forankrer virussen til værten, som er i overensstemmelse med eksperimentelle data," sagde Sanbonmatsu. På mødet vil hun diskutere, hvordan simuleringerne forklarer forvirrende tæthedsmålinger fundet i eksperimenter.

Bindingen mellem spidsprotein og værtscelle resulterer også i nogle "dårlige vibrationer", har en gruppe ved University of KwaZulu-Natal fundet.

"I tilfældet med SARS-CoV-2 viser vi, at spidsproteinvibrationerne kan øge sandsynligheden for en elektronoverførsel i værtsreceptorer," sagde Francesco Petruccione, en kvantebiolog, som vil præsentere resultaterne.

Gruppen undersøgte, hvilken rolle denne kvantetunneling kunne spille i SARS-CoV-2-infektion - og om behandlinger kunne designes til at afbryde vibrationerne, der hjælper virussen med at binde. Mutationer, der fører til nye varianter, fører også til forskellige vibrationsmønstre.

"Det mest praktiske resultat af denne forskning er identifikation af nye terapeutiske midler til at forhindre SARS-CoV-2-infektion," sagde Petruccione. "Denne model for receptoraktivering kan også tilbyde en måde at forudsige smitsomheden af ​​nye stammer af SARS-CoV-2."

At bestemme, hvilke spidsproteinmutationer, der vil føre til mere virustransmission, gør epidemiologer regelmæssigt stødt, da direkte eksperimentelle data ville kræve bevidst at udsætte folk for varianter.

University of California Riverside fysiker John Barton og samarbejdspartnere besluttede at tage en uventet tilgang til problemet ved at kombinere genomisk overvågning og værktøjerne fra statistisk fysik.

"Vores metode er den første, så vidt vi ved, til at være i stand til omfattende at vurdere virkningerne af SARS-CoV-2-mutationer på viral transmission, herunder rejser af inficerede individer, ved hjælp af de millioner af virale sekvenser, der er blevet indsamlet under pandemien ," sagde Barton.

Holdet fandt hotspots i SARS-CoV-2-genomet, hvor meget infektiøse mutationer dukker op - inklusive proteiner, der er langt mindre undersøgt end spidsen. På mødet vil Barton præsentere opdaterede data vedrørende Omicron-varianten.

"Vigtigt er det, vores model giver os mulighed for meget hurtigt at opdage flere overførbare varianter af virussen, efterhånden som de opstår:Vi kan detektere markant øget transmission for varianterne Alpha og Delta, når de kun var på omkring 1% i bestemte regioner," sagde Barton .

Uanset varianten er tidlig påvisning af coronavirus-infektion afgørende for at stoppe overførsel og stigninger.

Forskere ledet af Massachusetts Institute of Technology kandidatstuderende Changhao Li designet en kvantesensor til at diagnosticere COVID-19. Deres test kunne give en ultralav falsk negativ rate, der forbedres væsentligt i forhold til standard PCR-tests.

"Vi foreslår og demonstrerer eksperimentelt en hybrid kvantesensor for virus-RNA, baseret på nitrogen-ledige spindefekter i nanodiamanter og magnetiske nanopartikler," sagde Li. Gruppen udgav de første designs i Nano Letters .

Li vil dele nye foreløbige eksperimentelle resultater på mødet. Bare flere hundrede kopier af SARS-CoV-2 ville være nok til at pinge kvantesensoren, hvilket betyder, at færre end 1% af testene ved et uheld ville vende tilbage negative. Testen lover at være billig, hurtig og nem at opskalere.

Fra kvante til beregning, statistisk til vibration, fysik og dens veletablerede teknikker kunne ikke blot fremskynde afslutningen på den nuværende pandemi, men lægge grundlaget for hurtigere at reagere på den næste. + Udforsk yderligere

Brug af fysik til at forklare transmissionseffekterne af forskellige SARS-CoV-2-mutationer