Fysiska krafter förklarar varför vissa COVID-varianter är mer virulenta än andra – Physics World

Fysiska krafter förklarar varför vissa COVID-varianter är mer virulenta än andra – Physics World

Tidsstämpel: 30 januari 2024 4:00

Konstnärsbild som visar flera virus i en flytande turbulent miljö som interagerar med mänskliga celler
Illustration av flera virus i en flytande turbulent miljö som interagerar med mänskliga celler. (Med tillstånd: Computational Biophysics Group – Auburn University)

En ny studie om den mekaniska stabiliteten hos bindningar mellan spikproteinet på SARS-CoV-2-viruset och dess receptorer på mänskliga celler under infektion har avslöjat skillnader i bindningsstabiliteten hos virala varianter som Omicron och Delta. Fyndet, från forskare i Nederländerna, Tyskland och USA, kan hjälpa till att förklara varför vissa varianter sprider sig snabbare än andra.

SARS-CoV-2, viruset som är ansvarigt för COVID-19, innehåller fyra strukturella proteiner: hölje (E); membran (M); nukleokapsid (N); och spets (S). M-, E- och S-proteinerna är avgörande för att sätta ihop och bilda virusets yttersta lager, inklusive de mekanismer genom vilka viruset kommer in i värdceller. N-proteinet, under tiden, kapslar in virusets genetiska information.

Magnetisk pincettteknik

I det nya arbetet, ett team ledd av fysiker Jan Lipfert of Utrecht University i Nederländerna använde en mycket känslig teknik som kallas magnetisk pincett för att studera de biomekaniska egenskaperna hos kemiska bindningar i SARS-CoV-2-viruset under förhållanden som efterliknar de i mänskliga luftvägar. Deras analys använder en proteinkonstruktion som kombinerar virusets receptorbindande domän (i huvudsak spetsen på spetsproteinet) och den extracellulära domänen känd som ACE2 (virusets cellulära receptor och en viktig ingångspunkt till mänskliga celler). Dessa två komponenter är sammankopplade via en flexibel peptidlänk.

"Dessutom har vår konstruktion peptidtaggar för att fästa den med ena änden till en yta och med ena änden till en liten magnetisk pärla," förklarar Lipfert. "Med hjälp av denna konstruktion kan vi applicera exakt kalibrerade krafter på gränssnittet av virusproteinet bundet till dess cellulära receptor."

Eftersom de två bindningspartnerna är kopplade till en länk, kan de binda igen efter att bindningen bryts, tillägger han. "Detta tillåter oss att studera interaktionerna om och om igen, vid olika krafter."

Starkare bindning

Forskarna fann att medan alla stora SARS-CoV-2-varianter (inklusive Alpha, Beta, Gamma, Delta och Omicron) har en högre bindningsaffinitet till mänskliga celler än den ursprungliga stammen, är bindningen av Alpha-varianten särskilt mekaniskt stabil. Detta kan förklara varför det spreds så snabbt i slutet av 2020 och början av 2021, i populationer med liten eller ingen tidigare immunitet mot viruset.

De fann också att de nyare Delta- och Omicron-varianterna inte nödvändigtvis binder starkare än de andra, vilket innebär att andra processer måste beaktas när man förutsäger vilka varianter som kan bli vanligare.

Lipfert och kollegor säger att deras första idé, tidigt i pandemin, var att använda kraftspektroskopi för att studera hur coronaviruset binder till celler. "I februari och mars 2020 undrade vi hur vår expertis inom biofysik kan hjälpa till att bekämpa den globala pandemin," förklarar Lipfert. "Medan vi arbetade med att utveckla den första analysen, som beskrevs i ett förtryck hösten 2020 och slutligen publicerades i PNAS, de olika varianterna av oro uppstod och spreds över hela världen. Detta ledde naturligtvis till att vi ställde frågan om vår analys också kunde användas för att undersöka skillnader mellan varianterna."

Teamet, som även omfattar forskare från LMU München och Tekniska Universitetet i München, Stanford University, den University of Washington och Auburn University, hoppas kunna använda sin analys och metod för att förstå effekterna av mutationer i detalj och till och med förutsäga nya varianter i framtiden. Detta kan hjälpa oss att ligga steget före viruset genom att utveckla uppdaterade vacciner, säger de.

"Vi skulle också vilja använda vår metod för att testa förutspådda och observerade nya varianter av coronaviruset," Lipfert berättar Physics World. "Dessutom tror vi att vårt tillvägagångssätt kan vara mycket värdefullt för att förstå interaktioner mellan värd och patogen mer generellt."

Deras studie publiceras i Natur nanoteknik.

Tidsstämpel:

Mer från Fysikvärlden