Колебания и перемещения атомов раскрывают ключевые аспекты эволюции COVID-19

Ричард Фейнман в свое время сказал: Все, что делают живые существа, можно описать в терминах колебаний и перемещений атомов. На этой неделе в журнале Nature Nanotechnology опубликовано новаторское исследование, проливающее новый свет на эволюцию коронавируса и его опасных вариантов.

Ученые добились этого благодаря анализу поведения атомов в белках, находящихся на границе между вирусом и человеком. Работа под названием «Одномолекулярная силовая стабильность интерфейса SARS-CoV-2-ACE2 в вариантах, вызывающих озабоченность» является результатом международной совместной работы исследователей из шести университетов трех стран.

Исследование позволяет существенно расширить представление о механической стабильности коронавируса, являющейся ключевым фактором его превращения в глобальную пандемию. Для изучения биомеханических свойств биохимических связей в вирусе группа исследователей использовала передовое вычислительное моделирование и технологию магнитного пинцета. Полученные результаты свидетельствуют о критических различиях в механической устойчивости различных штаммов вируса и указывают на то, как эти различия способствуют его агрессивности и распространению.

Поскольку, по данным Всемирной организации здравоохранения, от COVID-19 в мире умирает около 7 млн. человек, причем более 1 млн. только в США, понимание механических свойств вируса приобретает решающее значение для разработки эффективных мер и методов лечения. Группа подчеркивает, что понимание молекулярных тонкостей этой пандемии является ключом к формированию наших ответных мер на будущие вирусные вспышки.

Углубляясь в исследование, специалисты Университета Оберн под руководством профессора Рафаэля К. Бернарди, доцента кафедры биофизики, а также докторов Марсело Мело и Присцилы Гомес сыграли ключевую роль в исследовании, используя мощный вычислительный анализ. Их работа с использованием узлов NVIDIA HGX-A100 для вычислений на GPU позволила раскрыть сложные аспекты поведения вируса.

Профессор Бернарди, получивший премию NSF Career Award, тесно сотрудничал с профессором Гаубом из LMU (Германия) и профессором Липфертом из Утрехтского университета (Нидерланды). Их коллективный опыт охватывает различные области, и в результате было достигнуто полное понимание фактора вирулентности SARS-CoV-2. Их исследование показало, что равновесная аффинность связывания и механическая стабильность интерфейса «вирус — человек» не всегда коррелируют, что очень важно для понимания динамики распространения и эволюции вирусов.

Кроме того, использование магнитного пинцета для изучения силовой устойчивости и кинетики связывания интерфейса SARS-CoV-2:ACE2 у различных штаммов вируса открывает новые перспективы для прогнозирования мутаций и корректировки терапевтических стратегий. Уникальность методики заключается в том, что она позволяет измерить степень связывания вируса с рецептором ACE2 — ключевой точкой входа в клетки человека — в условиях, имитирующих дыхательные пути человека.

Группа обнаружила, что, хотя все основные варианты COVID-19 (такие как Alpha, Beta, Gamma, Delta и Omicron) связываются с клетками человека сильнее, чем оригинальный вирус, вариант Alpha отличается особой стабильностью связывания. Это может объяснить, почему он так быстро распространился в популяциях, не имевших ранее иммунитета к COVID-19. Полученные результаты также позволяют предположить, что другие варианты, такие как Beta и Gamma, эволюционировали таким образом, что им удалось избежать некоторых иммунных реакций, что может дать им преимущество в тех регионах, где люди имеют некоторый иммунитет, либо в результате предыдущих инфекций, либо вакцинации.

Интересно, что варианты Delta и Omicron, ставшие доминирующими во всем мире, обладают признаками, которые помогают им избегать иммунной защиты и, возможно, легче распространяться. Однако они не обязательно связываются сильнее, чем другие варианты. Профессор Бернарди говорит:

Это исследование важно, поскольку оно помогает нам понять, почему некоторые варианты COVID-19 распространяются быстрее, чем другие. Изучив механизм связывания вируса, мы сможем предсказать, какие варианты могут стать более распространенными, и подготовить более эффективные меры борьбы с ними.

Данное исследование подчеркивает важность биомеханики для понимания вирусного патогенеза и открывает новые пути для научных исследований эволюции вирусов и разработки терапевтических средств. Оно свидетельствует о совместном характере научных исследований, направленных на решение серьезных проблем здравоохранения.

27.11.2023