20 януари 2022
Категории
  •  Космос
  •  Физика
  •  Науки за земята
  •  Биология
  •  Медицина
  •  Математика
  •  Научни дискусии
  •  Разни
FACEBOOK

Коронавирусът в малка капка. Симулация на атомно ниво

| ПОСЛЕДНА ПРОМЯНА 03 декември 2021 в 00:00 85340

Симулираната капка течност включва коронавируса и неговите шипови протеини, дълги секрети - муцини, лепкави повърхностноактивни вещества и смес от молекули от дълбока белодробна течност. Кредит: Lorenzo Casalino and Abigail Dommer, Amaro Lab, U.C. San Diego

За да се разбере по-добре как преминава коронавирусът от един човек на друг, екип от 50 учени за първи път създава симулация на ниво атом на коронавируса, носещ се в малка капчица вода във въздуха.

За да създадат модела, изследователите са използвали един от най-големите суперкомпютри в света, за да сглобят 1,3 милиарда атома и да проследят всичките им движения до по-малко от една милионна част от секундата. Това постижение на компютърна мощ предлага безпрецедентен поглед върху това как вирусът оцелява на открито, докато се разпространява към нов гостоприемник.

„Никога досега не е поставян вирус в капка вода “, казва Роми Амаро (Rommie Amaro), биолог от Калифорнийския университет в Сан Диего, който ръководи работата, докладвана на Международната конференция за високопроизводителни изчисления, мрежи, съхранение и анализ (International Conference for High Performance Computing, Networking, Storage and Analysis) миналия месец.

"Хората буквално никога не са виждали как изглежда това."

Капчици и аерозоли

В началото на пандемията въпросът как коронавирусът се разпространява във въздуха бе обект на ожесточени дебати. Много учени подкрепят традиционното мнение, че по-голямата част от предаването на вируса е станало възможно от по-големи капки, често произвеждани при кашлица и кихане. Тези капчици могат да пътуват само около метър, преди да паднат на пода.

Но епидемиологичните проучвания показват, че хората с Covid-19 могат да заразят други на много по-голямо разстояние. Дори само говоренето без маски в лошо проветрявано закрито пространство като бар, църква или класна стая е достатъчно, за да разпространи вируса.

Тези открития сочат, че много по-малки капчици, наречени аерозоли, са ключови носители на инфекция. Учените определят, че капки са с диаметър по-голям от 100 микрометра или една десета от милиметъра. Аерозолите са по-малки - в някои случаи толкова малки, че само един вирус може да се побере вътре в тях. И благодарение на малкия си размер, аерозолите могат да се носят във въздуха с часове.

Симулиран аерозол, носещ единичен коронавирус. Кредит: John Stone, Beckman Institute, Univ. of Illinois at Urbana-Champaign

Вирусите обаче не могат да оцелеят вечно в аерозолите. Изследователите често откриват, че вирусите, събрани от въздуха, са толкова повредени, че вече не могат да заразяват клетките. Възможно е, когато аерозолите се изпаряват, въздухът да разрушава молекулярната структура на вируса. Или химията вътре в малката капка може да бъде твърде враждебна, за да оцелеят.

„Засега ние не разбираме как се случва това“, обяснява професор Линзи Мар (Linsey Marr) от Политехническия университет на Виржиния, който не е участвал в новото проучване. Все още не са изобретени микроскопи, които могат да заснемат подробни изображения на това, което се случва вътре в натоварена с вируси аерозолна капчица.

През март 2020 г. д-р Амаро и нейните колеги решават, че най-добрият начин да отворят тази черна кутия е да създадат собствен аерозол, натоварен с вируси.

Изследователите започват със създаването на модел на коронавируса SARS-CoV-2, от 300 милиона виртуални атома. Те комбинират хиляди молекули мастни киселини в мембранна обвивка, след което поставят стотици протеини вътре.

Модел на коронавирус с 300 милиона атома показва вирусната мембрана, осеяна с допълнителни вирусни протеини и изпъкнали шипови протеини. Кредит: Lorenzo Casalino and Abigail Dommer, Amaro Lab, U.C. San Diego

Някои от тези протеини са важни, защото поддържат вирусната мембрана здрава. Други, наречени шипови (спайк) протеини, образуват цветни структури, които се издигат далеч над повърхността на вируса. Върховете на шиповете понякога спонтанно се отварят, позволявайки на вируса да се закачи върху клетката гостоприемник и да нахлуе.

Изграждане на аерозола

След като изграждат своя вирус, д-р Амаро и нейните колеги изграждат аерозол, за да го поставят в него. Използвайки милиард атома, те създават виртуална капка с диаметър четвърт микрометър, по-малко от една стотна от ширината на човешки косъм.

Изследователите обаче не могат да симулират аерозола като капка чиста вода, защото когато аерозолът се изхвърли от течността в белите ни дробове, той носи със себе си и други молекули от телата ни.

Компоненти на симулиран аерозол: вода, муцини, повърхностно активни вещества, дълбока белодробна течност. Кредит: Nicholas Wauer, Amaro Lab, U.C. San Diego

Тази "супа" включва муцини, които са дълги, наситени със захар протеини от лигавицата на белите дробове. Аерозолите също носят дълбока белодробна течност и повърхностно активни вещества, които помагат да се предпазят деликатните разклонения на нашите дихателни пътища от слепване.

След като вирусът е зареден в аерозол, учените се изправят пред най-голямото предизвикателство на проекта: "оживяването" на капката. Д-р Амаро и нейните колеги изчисляват силите, действащи в целия аерозол, като вземат предвид сблъсъците между атомите, както и електрическото поле, създадено от техните заряди. Те определят къде ще бъде всеки атом четири милионни от милиардната част от секундата по-късно.

За да извършат този огромен набор от изчисления, изследователите използват суперкомпютъра Summit в Националната лаборатория Oak Ridge в Тенеси, вторият най-мощен суперкомпютър в света. Тъй като машината е много търсена, те имат възможност да стартират симулацията си само няколко пъти.

„Имахме само толкова кадри, за да видим дали можем да накараме това нещо да лети“, разказва д-р Амаро.

Първото пускане се проваля. Малки недостатъци в модела карат виртуалните атоми да се блъскат един в друг и аерозолът моментално се разпада. „На практика експлодира“, споделя д-р Амаро.

След няколко кръга корекции, аерозолът става стабилен. Изследователите правят изчисленията отново, за да видят какво се е случило вътре в аерозола миг по-късно. В края на краищата изследователите създават милиони кадри от филм, който представя активността на аерозола за десет милиардни от секундата.

„Въпреки че молекулярното моделиране не е нещо ново, мащабът на това е следващо ниво“, отбелязва Брайън О'Флин (Brian O’Flynn), постдокторант в Детската изследователска болница „Св. Джуд“, който не е участвал в изследването.

Пътешествие през натоварен с вируси аерозол. Спайк протеините на повърхността на коронавируса са бомбардирани от заредени калциеви атоми. Повърхностно активните вещества и муцините са привлечени от шиповите протеини на вируса и могат да предпазят вируса от увреждане. Кредит: Lorenzo Casalino, Amaro Lab, U.C. San Diego

Бурната активност, на която д-р Амаро и нейните колеги стават свидетели, показва как вирусите вероятно оцеляват в аерозолите. Муцините например не просто се носят лениво около аерозола. Отрицателно заредените муцини са привлечени от положително заредените шипови протеини. Заредени атоми като калция летят из капката, упражнявайки мощни сили върху молекулите, които срещат.

Д-р Амаро предполага, че муцините действат като щит. Ако вирусът се придвижи твърде близо до повърхността на аерозола, муцините ги избутват обратно, така че да не бъдат изложени на смъртоносния въздух.

„Това, което смятаме, е, че всъщност се покрива с тези муцини и това действа като защитно покритие за него по време на полета“, обяснява д-р Амаро.

Делта и Омикрон

Това откритие може да помогне да се обясни как вариантът Делта стана толкова широко разпространен. Спайк протеините на Делта имат по-силен положителен заряд от тези на по-ранните форми на коронавируса. В резултат на това муцините се скупчват по-тясно около тях. Това привличане потенциално може да направи муцините по-добър щит.

От време на време един от симулираните коронавируси отваряше шипов протеин, изненадвайки учените. „Вариантът Делта се отваря много по-лесно от оригиналния щам, който симулирахме“, разказва д-р Амаро.

Симулацията на шиповия протеин на варианта Делта предполага, че той се отваря по-широко от оригиналния щам на коронавирус, което може да помогне да се обясни защо Делта се разпространява по-успешно.  Кредит: Lorenzo Casalino, Amaro Lab, U.C. San Diego

След като коронавирусът навлезе в носа или белите дробове на някого, широкият отвор на Делта шипа може да го направи по-добър при заразяването на клетките. Но д-р Амаро подозира, че е лошо за коронавируса да отваря шипововия си протеин, докато все още е вътре в аерозола, може би на часове разстояние от заразяването на нов гостоприемник.

„Ако се отвори твърде рано, може просто да се разпадне“, пояснява д-р Амаро.

Някои от молекулите, които са в изобилие в аерозолите, може да са в състояние да заключат шипа, отбелязва д-р Амаро. Някои белодробни повърхностно активни вещества могат да се поберат в джоб на повърхността на шиповия протеин, предотвратявайки отварянето му.

Изглед отгоре на симулиран шипов протеин. Кредит:  Кредит: Lorenzo Casalino, Amaro Lab, U.C. San Diego

За да тестват тази идея и да изследват други, д-р Амаро и нейните колеги разтягат времевата рамка на своята симулация сто пъти, от десет милиардни от секундата до милионна част от секундата. Те също така ще проучат как киселинността в аерозола и влажността на въздуха около него могат да променят вируса.

Д-р Амаро и нейните колеги планират да изградят следващ вариант на Омикрон и да наблюдават как се държи в аерозол. Те искат да изчакат структурните биолози да разработят триизмерната форма на неговите шипови протеини, преди да започнат. Но само като разглеждат ранните открития за Омикрон, д-р Амаро вече вижда една важна характеристика:

„Той е още по-силно положително зареден“.

Тъй като шиповите протеини на Омикрон са дори още по-силно положително заредени от тези на Делта, той може да изгради по-добър муцинов щит в аерозолите. И това може да му помогне да стане още по-предаваем.

Три шипови протеина на коронавирус: оригиналният щам, вариантът Делта и вариантът Омикрон. Омикрон е по-силно положително зареден от Делта, който е по-силно положително зареден от оригиналния щам. С течение на времето мутациите близо до върха на шиповия протеин са добавили положителен или отрицателен заряд. Другите мутации са неутрални. Кредит: Fiona Kearns and Mia Rosenfeld, Amaro Lab, U.C. San Diego

Д-р Мар заявява, че симулацията може в крайна сметка да позволи на учените да предскажат заплахата от бъдещи пандемии. Те биха могли да изградят атомни модели на новооткритите вируси и да ги поставят в аерозоли, за да ги наблюдават как се държат.

„Това има значение за изучаването на нововъзникващите вируси, за които все още не знаем“, коментира д-р Мар. „Все още има дълъг път до там,но това определено е голяма първа стъпка.“

ИзточникThe Coronavirus in a Tiny Drop
Carl Zimmer and Jonathan Corum, New York Times


Няма коментари към тази новина !

 
Още от : Новини
Всички текстове и изображения публикувани в OffNews.bg са собственост на "Офф Медия" АД и са под закрила на "Закона за авторското право и сродните им права". Използването и публикуването на част или цялото съдържание на сайта без разрешение на "Офф Медия" АД е забранено.