Physikalische Kräfte erklären, warum einige COVID-Varianten virulenter sind als andere – Physics World

Eine neue Studie zur mechanischen Stabilität von Bindungen zwischen dem Spike-Protein des SARS-CoV-2-Virus und seinen Rezeptoren auf menschlichen Zellen während der Infektion hat Unterschiede in der Bindungsstabilität von Virusvarianten wie Omicron und Delta aufgedeckt. Die Erkenntnisse von Forschern aus den Niederlanden, Deutschland und den USA könnten erklären, warum sich einige Varianten schneller verbreiten als andere.

SARS-CoV-2, das für COVID-19 verantwortliche Virus, enthält vier Strukturproteine: Hülle (E); Membran (M); Nukleokapsid (N); und Spitze (S). Die M-, E- und S-Proteine ​​sind für den Aufbau und die Bildung der äußersten Schicht des Virus von entscheidender Bedeutung, einschließlich der Mechanismen, mit denen das Virus in Wirtszellen eindringt. Das N-Protein wiederum verkapselt die genetische Information des Virus.

Magnetpinzettentechnik

An der neuen Arbeit beteiligte sich ein Team unter der Leitung eines Physikers Jan Lipfert of Universität Utrecht in den Niederlanden verwendeten eine hochempfindliche Technik namens Magnetpinzette, um die biomechanischen Eigenschaften chemischer Bindungen im SARS-CoV-2-Virus unter Bedingungen zu untersuchen, die denen der menschlichen Atemwege nachahmen. Ihr Assay verwendet ein Proteinkonstrukt, das die Rezeptorbindungsdomäne des Virus (im Wesentlichen die Spitze des Spike-Proteins) und die extrazelluläre Domäne, bekannt als ACE2 (der zelluläre Rezeptor des Virus und ein wichtiger Eintrittspunkt in menschliche Zellen), kombiniert. Diese beiden Komponenten sind über einen flexiblen Peptidlinker verbunden.

„Darüber hinaus verfügt unser Konstrukt über Peptid-Tags, um es mit einem Ende an einer Oberfläche und mit einem Ende an einer kleinen magnetischen Perle zu befestigen“, erklärt Lipfert. „Mit diesem Konstrukt können wir präzise kalibrierte Kräfte auf die Schnittstelle des Virusproteins anwenden, das an seinen zellulären Rezeptor gebunden ist.“

Da die beiden Bindungspartner über einen Linker verbunden sind, können sie sich nach dem Bruch der Bindung wieder verbinden, fügt er hinzu. „Dadurch können wir die Wechselwirkungen bei unterschiedlichen Kräften immer wieder untersuchen.“

Stärkere Bindung

Die Forscher fanden heraus, dass alle wichtigen SARS-CoV-2-Varianten (einschließlich Alpha, Beta, Gamma, Delta und Omicron) zwar eine höhere Bindungsaffinität zu menschlichen Zellen aufweisen als der ursprüngliche Stamm, die Bindung der Alpha-Variante jedoch besonders mechanisch stabil ist. Dies könnte erklären, warum es sich Ende 2020 und Anfang 2021 in Populationen mit geringer oder keiner vorherigen Immunität gegen das Virus so schnell verbreitete.

Sie fanden jedoch auch heraus, dass die neueren Delta- und Omicron-Varianten nicht unbedingt stärker binden als die anderen, was bedeutet, dass bei der Vorhersage, welche Varianten häufiger auftreten könnten, andere Prozesse berücksichtigt werden müssen.

Lipfert und Kollegen sagen, dass ihre ursprüngliche Idee zu Beginn der Pandemie darin bestand, mithilfe der Kraftspektroskopie zu untersuchen, wie das Coronavirus an Zellen bindet. „Im Februar und März 2020 haben wir uns gefragt, wie unsere Expertise in der Biophysik bei der Bekämpfung der globalen Pandemie helfen könnte“, erklärt Lipfert. „Während wir an der Entwicklung des ersten Assays arbeiteten, der im Herbst 2020 in einem Vorabdruck detailliert beschrieben und schließlich in veröffentlicht wurde PNAS, entstanden die verschiedenen Besorgnisvarianten und verbreiteten sich auf der ganzen Welt. Da stellte sich für uns natürlich die Frage, ob unser Test auch zur Untersuchung von Unterschieden zwischen den Varianten eingesetzt werden könnte.“

Physiker simulieren, wie SARS-CoV-2 entsteht

Das Team, zu dem auch Wissenschaftler aus gehören LMU München und für Technische Universität München, Stanford University, der Universität von Washington und Auburn University, hofft, seinen Assay und seine Methodik nutzen zu können, um die Auswirkungen von Mutationen im Detail zu verstehen und sogar neue Varianten in der Zukunft vorherzusagen. Dies könnte uns helfen, dem Virus einen Schritt voraus zu sein, indem wir aktualisierte Impfstoffe entwickeln, sagen sie.

„Wir möchten unsere Methode auch nutzen, um vorhergesagte und beobachtete neue Varianten des Coronavirus zu testen“, sagt Lipfert erzählt Physics World. „Darüber hinaus glauben wir, dass unser Ansatz für das allgemeinere Verständnis von Wirt-Pathogen-Interaktionen sehr wertvoll sein könnte.“

Ihre Studie wird veröffentlicht in Natur Nanotechnologie.

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• Quelle: https://physicsworld.com/a/physical-forces-explain-why-some-covid-variants-are-more-virulent-than-others/