Richard Feynman sa det berömda:"Allt som levande varelser gör kan förstås i termer av atomernas jiggling och vickling." Den här veckan, Nature Nanotechnology innehåller en studie som kastar nytt ljus över utvecklingen av coronaviruset och dess varianter av oro genom att analysera beteendet hos atomer i proteinerna i gränssnittet mellan viruset och människor.
Artikeln, med titeln "Single-molecule force stability of the SARS-CoV-2-ACE2 interface in variants-of-concern", är resultatet av ett internationellt samarbete mellan forskare från sex universitet i tre länder.
Studien introducerar betydande insikter om den mekaniska stabiliteten hos coronaviruset, en nyckelfaktor i dess utveckling till en global pandemi. Forskargruppen använde avancerade beräkningssimuleringar och magnetisk pincettteknologi för att utforska de biomekaniska egenskaperna hos biokemiska bindningar i viruset. Deras resultat avslöjar kritiska skillnader i den mekaniska stabiliteten hos olika virusstammar, vilket belyser hur dessa skillnader bidrar till virusets aggressivitet och spridning.
Eftersom Världshälsoorganisationen rapporterar nästan 7 miljoner dödsfall världen över till följd av COVID-19, med mer än 1 miljon enbart i USA, blir det avgörande att förstå dessa mekaniker för att utveckla effektiva interventioner och behandlingar. Gruppen betonar att förståelsen av de molekylära krångligheterna i denna pandemi är nyckeln till att forma vårt svar på framtida virusutbrott.
Fördjupning i studien spelade Auburn University-teamet, ledd av Prof. Rafael C. Bernardi, biträdande professor i biofysik, tillsammans med Dr. Marcelo Melo och Dr. Priscila Gomes, en central roll i forskningen genom att utnyttja kraftfull beräkningsanalys. Genom att använda NVIDIA HGX-A100-noder för GPU-datorer var deras arbete avgörande för att reda ut komplexa aspekter av virusets beteende.
Prof. Bernardi, en NSF Career Award-mottagare, samarbetade nära med Prof. Gaub från LMU, Tyskland, och Prof. Lipfert från Utrecht University, Nederländerna. Deras samlade expertis sträckte sig över olika områden och kulminerade i en omfattande förståelse av SARS-CoV-2 virulensfaktorn. Deras forskning visar att jämviktsbindningsaffiniteten och den mekaniska stabiliteten i gränssnittet mellan virus och människa inte alltid är korrelerade, ett fynd som är avgörande för att förstå dynamiken i viral spridning och evolution.
Dessutom ger teamets användning av magnetisk pincett för att studera kraftstabiliteten och bindningskinetiken för SARS-CoV-2:ACE2-gränssnittet i olika virusstammar nya perspektiv på att förutsäga mutationer och justera terapeutiska strategier. Metodiken är unik eftersom den mäter hur starkt viruset binder till ACE2-receptorn, en viktig ingångspunkt till mänskliga celler, under förhållanden som efterliknar de mänskliga luftvägarna.
Gruppen fann att medan alla de stora COVID-19-varianterna (som alfa, beta, gamma, delta och omicron) binder starkare till mänskliga celler än det ursprungliga viruset, är alfavarianten särskilt stabil i sin bindning. Detta kan förklara varför det spred sig så snabbt i populationer utan föregående immunitet mot COVID-19. Resultaten tyder också på att andra varianter, som beta och gamma, har utvecklats på ett sätt som hjälper dem att undvika vissa immunsvar, vilket kan ge dem en fördel i områden där människor har viss immunitet, antingen från tidigare infektioner eller vaccinationer.
Intressant nog visar delta- och omicron-varianterna, som blev dominerande över hela världen, egenskaper som hjälper dem att undkomma immunförsvar och eventuellt spridas lättare. Men de binder inte nödvändigtvis starkare än andra varianter. Prof. Bernardi säger, "Denna forskning är viktig eftersom den hjälper oss att förstå varför vissa COVID-19-varianter sprider sig snabbare än andra. Genom att studera virusets bindningsmekanism kan vi förutsäga vilka varianter som kan bli vanligare och förbereda bättre svar på dem. "
Denna forskning betonar vikten av biomekanik för att förstå viral patogenes och öppnar nya vägar för vetenskaplig undersökning av viral evolution och terapeutisk utveckling. Det står som ett bevis på den vetenskapliga forskningens kollaborativa karaktär för att ta itu med betydande hälsoutmaningar.
Mer information: Magnus S. Bauer et al, Single-molecule force stability of the SARS-CoV-2-ACE2-interface in variants-of-concern, Nature Nanotechnology (2023). DOI:10.1038/s41565-023-01536-7. www.nature.com/articles/s41565-023-01536-7
Journalinformation: Nanoteknik
Tillhandahålls av Auburn University
