Atomernes jiggling og vrikken afslører nøgleaspekter af COVID-19 virulensudvikling

Richard Feynman udtalte berømt:"Alt, hvad levende ting gør, kan forstås ud fra atomernes jiggling og wiggling." Denne uge, Nature Nanotechnology indeholder en undersøgelse, der kaster nyt lys over udviklingen af ​​coronavirus og dens bekymringsvarianter ved at analysere adfærden af ​​atomer i proteinerne i grænsefladen mellem virussen og mennesker.

Artiklen, med titlen "Single-molecule force stability of the SARS-CoV-2-ACE2 interface in variants-of-concern," er resultatet af et internationalt samarbejde mellem forskere fra seks universiteter i tre lande.

Undersøgelsen introducerer betydelig indsigt i den mekaniske stabilitet af coronavirus, en nøglefaktor i dens udvikling til en global pandemi. Forskerholdet brugte avancerede beregningssimuleringer og magnetisk pincetteknologi til at udforske de biomekaniske egenskaber af biokemiske bindinger i virussen. Deres resultater afslører kritiske forskelle i den mekaniske stabilitet af forskellige virusstammer, hvilket fremhæver, hvordan disse forskelle bidrager til virussens aggressivitet og spredning.

Da Verdenssundhedsorganisationen rapporterer næsten 7 millioner dødsfald på verdensplan som følge af COVID-19, med mere end 1 million i USA alene, bliver forståelsen af ​​disse mekanikker afgørende for at udvikle effektive indgreb og behandlinger. Gruppen understreger, at forståelsen af ​​de molekylære forviklinger af denne pandemi er nøglen til at forme vores reaktion på fremtidige virale udbrud.

Ved at dykke dybere ned i undersøgelsen spillede Auburn University-teamet, ledet af Prof. Rafael C. Bernardi, adjunkt i biofysik, sammen med Dr. Marcelo Melo og Dr. Priscila Gomes en central rolle i forskningen ved at udnytte kraftfuld beregningsanalyse. Ved at bruge NVIDIA HGX-A100-noder til GPU-databehandling var deres arbejde afgørende for at optrevle komplekse aspekter af virussens adfærd.

Prof. Bernardi, en NSF Career Award-modtager, samarbejdede tæt med Prof. Gaub fra LMU, Tyskland, og Prof. Lipfert fra Utrecht University, Holland. Deres kollektive ekspertise spændte over forskellige områder og kulminerede i en omfattende forståelse af SARS-CoV-2 virulensfaktoren. Deres forskning viser, at ligevægtsbindingsaffiniteten og den mekaniske stabilitet af virus-menneske-grænsefladen ikke altid er korreleret, en konstatering, der er afgørende for at forstå dynamikken i viral spredning og evolution.

Derudover giver holdets brug af magnetiske pincet til at studere kraft-stabiliteten og bindingskinetikken af ​​SARS-CoV-2:ACE2-grænsefladen i forskellige virusstammer nye perspektiver på forudsigelse af mutationer og justering af terapeutiske strategier. Metoden er unik, fordi den måler, hvor stærkt virussen binder til ACE2-receptoren, et nøgleindgangspunkt i humane celler, under forhold, der efterligner de menneskelige luftveje.

Gruppen fandt ud af, at mens alle de store COVID-19-varianter (som alfa, beta, gamma, delta og omicron) binder stærkere til humane celler end den oprindelige virus, er alfa-varianten særlig stabil i sin binding. Dette kan forklare, hvorfor det spredte sig så hurtigt i befolkninger uden forudgående immunitet over for COVID-19. Resultaterne tyder også på, at andre varianter, såsom beta og gamma, udviklede sig på en måde, der hjælper dem med at undgå nogle immunresponser, hvilket kan give dem en fordel i områder, hvor folk har en vis immunitet, enten fra tidligere infektioner eller vaccinationer.

Interessant nok viser delta- og omicron-varianterne, som blev dominerende på verdensplan, træk, der hjælper dem med at undslippe immunforsvar og muligvis lettere sprede sig. De binder dog ikke nødvendigvis stærkere end andre varianter. Prof. Bernardi siger:"Denne forskning er vigtig, fordi den hjælper os med at forstå, hvorfor nogle COVID-19-varianter spredes hurtigere end andre. Ved at studere virussens bindingsmekanisme kan vi forudsige, hvilke varianter der kan blive mere udbredte og forberede bedre reaktioner på dem. "

Denne forskning understreger vigtigheden af ​​biomekanik i forståelsen af ​​viral patogenese og åbner nye veje for videnskabelig undersøgelse af viral evolution og terapeutisk udvikling. Det står som et vidnesbyrd om den videnskabelige forsknings samarbejdsmæssige karakter med hensyn til at håndtere væsentlige sundhedsudfordringer.

Flere oplysninger: Magnus S. Bauer et al., Single-molecule force stabilitet af SARS-CoV-2-ACE2 grænsefladen i varianter af bekymring, Nature Nanotechnology (2023). DOI:10.1038/s41565-023-01536-7. www.nature.com/articles/s41565-023-01536-7

Journaloplysninger: Natur nanoteknologi

Leveret af Auburn University