Das Coronavirus in einem winzigen Tropfen

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Um die Reise des Coronavirus von einer Person zur anderen besser zu verstehen, hat ein Team von 50 Wissenschaftlern zum ersten Mal eine atomare Simulation des Coronavirus erstellt, eingebettet in einen winzigen Wassertropfen in der Luft.

Um das Modell zu erstellen, benötigten die Forscher einen der größten Supercomputer der Welt, um 1,3 Milliarden Atome zusammenzubauen und alle ihre Bewegungen auf weniger als eine Millionstelsekunde genau zu verfolgen. Dieser rechnerische Kraftakt bietet einen beispiellosen Einblick in die Art und Weise, wie das Virus im Freien überlebt, während es sich auf einen neuen Wirt ausbreitet.



Der simulierte Flüssigkeitstropfen enthält die Coronavirus und sein Spike-Proteine, lang Schleimstoffe, klebrig Tenside, und eine Mischung von Molekülen aus tiefe Lungenflüssigkeit.Lorenzo Casalino und Abigail Dommer, Amaro Lab, UC San Diego

„Ein Virus in einen Tropfen Wasser zu geben, ist noch nie zuvor gemacht worden“, sagte Rommie Amaro, Biologe an der University of California San Diego, der die Bemühungen leitete enthüllt auf der International Conference for High Performance Computing, Networking, Storage and Analysis im letzten Monat. “Die Leute haben buchstäblich noch nie gesehen, wie das aussieht.”

Tröpfchen und Aerosole

Wie sich das Coronavirus durch die Luft ausbreitet, wurde zu Beginn der Pandemie heftig diskutiert. Viele Wissenschaftler vertraten die traditionelle Ansicht, dass der größte Teil der Übertragung des Virus durch größere Tropfen ermöglicht wurde, die oft beim Husten und Niesen produziert werden. Diese Tröpfchen können nur wenige Meter weit wandern, bevor sie auf den Boden fallen.




Eine 3D-Simulation eines Hustens, der sowohl große Tröpfchen als auch winzige Aerosole produziert.Die New York Times

Aber epidemiologisch Studien zeigte, dass Menschen mit Covid-19 andere in viel größerer Entfernung anstecken können. Schon das bloße Sprechen ohne Masken in einem schlecht belüfteten Innenraum wie einer Bar, einer Kirche oder einem Klassenzimmer reichte aus, um das Virus zu verbreiten.

Diese Ergebnisse wiesen auf viel kleinere Tropfen, die als Aerosole bezeichnet werden, als wichtige Infektionsträger hin. Wissenschaftler definieren Tröpfchen mit einem Durchmesser von mehr als 100 Mikrometer oder etwa 4 Tausendstel Zoll. Aerosole sind kleiner – in manchen Fällen so klein, dass nur ein einziger Virus hineinpasst. Und dank ihrer winzigen Größe können Aerosole stundenlang in der Luft schweben.




Ein simuliertes Aerosol, das ein einzelnes Coronavirus trägt.John Stone, Beckman-Institut, Univ. von Illinois in Urbana-Champaign

Viren können in Aerosolen jedoch nicht ewig überleben. Forscher stellen oft fest, dass aus der Luft gesammelte Viren so beschädigt sind, dass sie keine Zellen mehr infizieren können. Es ist möglich, dass die Luft beim Verdampfen der Aerosole die Molekülstruktur des Virus zerstört. Oder die Chemie in dem winzigen Tropfen könnte zu feindselig werden, als dass sie überleben könnten.

„Zu diesem Zeitpunkt verstehen wir nicht, wie das passiert“, sagte Linsey Marr, Professorin für Bau- und Umweltingenieurwesen an der Virginia Tech, die nicht an der neuen Studie beteiligt war. Mikroskope, die detaillierte Bilder von dem, was in einem virusbeladenen Aerosol vor sich geht, aufnehmen können, müssen noch erfunden werden.

Im März 2020 entschieden Dr. Amaro und ihre Kollegen, dass der beste Weg, diese Blackbox zu öffnen, darin besteht, ein eigenes virusbeladenes Aerosol zu bauen.

Die Forscher erstellten zunächst ein Modell des Coronavirus, bekannt als SARS-CoV-2, aus 300 Millionen virtuellen Atomen. Sie haben Tausende von Fettsäuremolekülen zu einer Membranhülle kombiniert und dann Hunderte von Proteinen darin untergebracht.




Ein Modell eines Coronavirus mit 300 Millionen Atomen zeigt die virale Membran gepunktet mit zusätzlichen viral Proteine und hervorstehend Spike-Proteine.Lorenzo Casalino und Abigail Dommer, Amaro Lab, UC San Diego

Einige dieser Proteine ​​sind wichtig, weil sie die Virusmembran intakt halten. Andere, sogenannte Spike-Proteine, bilden blütenartige Strukturen, die weit über die Oberfläche des Virus hinausragen. Die Spitzen der Stacheln klappen manchmal spontan auf, sodass sich das Virus an einer Wirtszelle festsetzen und eindringen kann.

Aufbau eines Aerosols

Nachdem sie ihr Virus aufgebaut hatten, stellten Dr. Amaro und ihre Kollegen ein Aerosol her, um es einzufüllen. Aus einer Milliarde Atomen erzeugten sie einen virtuellen Tropfen mit einem Durchmesser von einem Viertel Mikrometer, weniger als einem Hundertstel der Breite einer menschlichen Haarsträhne .

Die Forscher konnten das Aerosol jedoch nicht als reinen Wassertropfen simulieren. Wenn sich ein Aerosol aus der Flüssigkeit in unserer Lunge löst, bringt es einen Eintopf anderer Moleküle aus unserem Körper mit.

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Bestandteile eines simulierten Aerosols: Wasser, Schleimstoffe, Tenside, tiefe Lungenflüssigkeit.Nicholas Wauer, Amaro Lab, UC San Diego

Dieser Eintopf beinhaltet Schleimstoffe, das sind lange, mit Zucker übersäte Proteine ​​aus der Schleimhaut der Lunge. Aerosole tragen auch tiefe Lungenflüssigkeit, und Tenside die dazu beitragen, dass die empfindlichen Äste unserer Atemwege nicht zusammenkleben.

Nachdem das Virus in ein Aerosol geladen wurde, standen die Wissenschaftler vor der größten Herausforderung des Projekts: Den Tropfen zum Leben zu erwecken. Dr. Amaro und ihre Kollegen berechneten die im gesamten Aerosol wirkenden Kräfte und berücksichtigten dabei die Kollisionen zwischen den Atomen sowie das von ihren Ladungen erzeugte elektrische Feld. Sie bestimmten, wo sich jedes Atom vier Millionstel einer Milliardstel Sekunde später befinden würde.

Um diese umfangreichen Berechnungen durchführen zu können, mussten die Forscher den Summit Supercomputer des Oak Ridge National Laboratory in Tennessee übernehmen, den zweitstärkster Supercomputer der Welt. Da die Maschine sehr gefragt war, konnten sie ihre Simulation nur wenige Male ausführen. „Wir haben nur so viele Aufnahmen, um zu sehen, ob wir dieses Ding tatsächlich zum Fliegen bringen“, sagte Dr. Amaro.

Der erste Lauf war eine Katastrophe. Winzige Fehler in ihrem Modell führten dazu, dass die virtuellen Atome ineinander krachten und das Aerosol augenblicklich zerplatzte. “Es explodiert im Grunde”, sagte Dr. Amaro.

Nach einem halben Dutzend Anpassungsrunden wurde das Aerosol stabil. Die Forscher führten die Berechnungen noch einmal durch, um einen Moment später zu sehen, was im Aerosol passierte. Alles in allem erstellten sie Millionen von Einzelbildern eines Films, der die Aktivität des Aerosols für zehn Milliardstel Sekunden festhielt.

„Obwohl die molekulare Modellierung keine neue Sache ist, ist der Umfang hiervon auf der nächsten Ebene“, sagte Brian O’Flynn, ein Postdoc am St. Jude Children’s Research Hospital, der nicht an der Studie beteiligt war.

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Eine Reise durch ein virusbeladenes Aerosol. Spike-Proteine auf der Oberfläche des Coronavirus werden von aufgeladenen Kalzium Atome. Tenside und Schleimstoffe werden von den Spike-Proteinen des Virus angezogen und können das Virus vor Schäden schützen.Lorenzo Casalino, Amaro Lab, UC San Diego

Die lebhafte Aktivität, die Dr. Amaro und ihre Kollegen beobachteten, lieferte Hinweise darauf, wie Viren in Aerosolen überleben. Die Muzine zum Beispiel wanderten nicht nur müßig um das Aerosol herum. Die negativ geladenen Mucine wurden von den positiv geladenen Spike-Proteinen angezogen. Geladene Atome wie Kalzium fliegen um das Tröpfchen herum und üben starke Kräfte auf Moleküle aus, denen sie begegnen.

Dr. Amaro spekulierte, dass die Muzine als Schutzschild wirken. Wenn sich das Virus zu nahe an die Oberfläche des Aerosols bewegt, drücken die Muzine es zurück, damit es nicht der tödlichen Luft ausgesetzt ist.

“Wir denken, dass es sich tatsächlich mit diesen Mucinen bedeckt und das während des Fluges wie eine Schutzschicht wirkt”, sagte Dr. Amaro.

Delta und Omicron

Diese Entdeckung könnte helfen zu erklären, wie die Delta-Variante so weit verbreitet wurde. Die Spike-Proteine ​​von Delta haben eine positivere Ladung als die früherer Formen des Coronavirus. Infolgedessen drängen sich die Muzine enger um sie herum. Diese Anziehung könnte die Mucine möglicherweise zu einem besseren Schild machen.

Hin und wieder klappte eines der simulierten Coronaviren ein Spike-Protein auf, was die Wissenschaftler überraschte. „Die Delta-Variante öffnet sich viel leichter als die ursprüngliche Sorte, die wir simuliert hatten“, sagte Dr. Amaro.

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Eine Simulation des Spike-Proteins der Delta-Variante deutet darauf hin, dass es sich weiter öffnet als der ursprüngliche Coronavirus-Stamm, was erklären könnte, warum sich Delta erfolgreicher ausbreitet.Lorenzo Casalino, Amaro Lab, UC San Diego

Sobald ein Coronavirus in die Nase oder Lunge einer Person eindringt, kann die weite Öffnung des Delta-Spikes die Infektion einer Zelle verbessern. Aber Dr. Amaro vermutet, dass es für ein Coronavirus schlecht ist, ein Spike-Protein zu öffnen, wenn es sich noch in einem Aerosol befindet, vielleicht Stunden davon entfernt, einen neuen Wirt zu infizieren. „Wenn es sich zu früh öffnet, könnte es einfach auseinanderfallen“, sagte Dr. Amaro.

Einige der Moleküle, die in Aerosolen reichlich vorhanden sind, könnten in der Lage sein, den Dorn für die Reise zu schließen, sagte sie. Bestimmte Lungensurfactants können in eine Tasche auf der Oberfläche des Spike-Proteins passen und verhindern, dass es aufschwingt.




Draufsicht auf ein simuliertes Spike-Protein.Lorenzo Casalino, Amaro Lab, UC San Diego

Um diese Idee zu testen und andere zu erforschen, dehnen Dr. Amaro und ihre Kollegen den Zeitrahmen ihrer Simulation hundertmal aus, von zehn Milliardstelsekunden auf eine Millionstelsekunde. Sie werden auch untersuchen, wie der Säuregehalt in einem Aerosol und die Feuchtigkeit der umgebenden Luft das Virus verändern können.

Dr. Amaro und ihre Kollegen planen, als nächstes eine Omicron-Variante zu bauen und zu beobachten, wie sie sich in einem Aerosol verhält. Sie wollen warten, bis Strukturbiologen die dreidimensionale Form seiner Spike-Proteine ​​herausgefunden haben, bevor sie loslegen. Aber wenn man sich die ersten Erkenntnisse zu Omicron ansieht, sieht Dr. Amaro bereits eine wichtige Eigenschaft: „Es ist noch positiver aufgeladen“, sagte sie.

Da die Spike-Proteine ​​von Omicron noch positiver geladen sind als die von Delta, können sie in Aerosolen einen besseren Schleimschutz bilden. Und das kann dazu beitragen, dass es noch übertragbarer wird.




Drei Coronavirus-Spike-Proteine: der ursprüngliche Stamm, die Delta-Variante und die Omicron-Variante. Omicron ist positiver geladen als Delta, das positiver geladen ist als der ursprüngliche Stamm. Im Laufe der Zeit sind Mutationen in der Nähe der Spitze des Spike-Proteins hinzugekommen positiv oder Negativ aufladen. Andere Mutationen wurden neutral.Fiona Kearns und Mia Rosenfeld, Amaro Lab, UC San Diego

Dr. Marr sagte, die Simulation könnte es Wissenschaftlern schließlich ermöglichen, die Bedrohung durch zukünftige Pandemien vorherzusagen. Sie könnten Atommodelle neu entdeckter Viren bauen und sie in Aerosole verpacken, um ihr Verhalten zu beobachten.

„Dies hat Auswirkungen auf das Verständnis neuer Viren, von denen wir noch nichts wissen“, sagte Dr. Marr. „Es ist noch ein langer Weg dorthin“, sagte sie, „aber das ist definitiv ein großer erster Schritt.“

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