Het ‘wiebelen en wiebelen van atomen’ onthult belangrijke aspecten van de evolutie van de virulentie van COVID-19

Richard Feynman heeft de beroemde uitspraak gedaan: ‘Alles wat levende wezens doen, kan worden begrepen in termen van het wiebelen en wiebelen van atomen.’ Deze week, Natuur Nanotechnologie beschikt over een studie dat nieuw licht werpt op de evolutie van het coronavirus en zijn zorgwekkende varianten door het gedrag van atomen in de eiwitten op het grensvlak tussen het virus en de mens te analyseren.

Het artikel, getiteld ‘Single-molecule force Stability of the SARS-CoV-2–ACE2 interface in varianten-of-concern’, is het resultaat van een internationale samenwerking tussen onderzoekers van zes universiteiten in drie landen.

De studie introduceert belangrijke inzichten in de mechanische stabiliteit van het coronavirus, een sleutelfactor in de evolutie ervan naar een wereldwijde pandemie. Het onderzoeksteam maakte gebruik van geavanceerde computationele simulaties en magnetische pincettechnologie om de biomechanische eigenschappen van biochemische bindingen in het virus te onderzoeken. Hun bevindingen onthullen cruciale verschillen in de mechanische stabiliteit van verschillende virusstammen, en benadrukken hoe deze verschillen bijdragen aan de agressiviteit en verspreiding van het virus.

Nu de Wereldgezondheidsorganisatie wereldwijd bijna zeven miljoen sterfgevallen als gevolg van COVID-19 rapporteert, waarvan meer dan één miljoen alleen al in de Verenigde Staten, wordt het begrijpen van deze mechanismen cruciaal voor het ontwikkelen van effectieve interventies en behandelingen. De groep benadrukt dat het begrijpen van de moleculaire complexiteit van deze pandemie van cruciaal belang is voor het vormgeven van onze reactie op toekomstige virusuitbraken.

Door dieper in de studie te duiken, speelde het team van Auburn University, onder leiding van prof. Rafael C. Bernardi, universitair docent biofysica, samen met dr. Marcelo Melo en dr. Priscila Gomes, een cruciale rol in het onderzoek door gebruik te maken van krachtige computationele analyse. Door gebruik te maken van NVIDIA HGX-A100-nodes voor GPU-computing was hun werk essentieel bij het ontrafelen van de complexe aspecten van het gedrag van het virus.

Prof. Bernardi, ontvanger van de NSF Career Award, werkte nauw samen met prof. Gaub van LMU, Duitsland, en prof. Lipfert van de Universiteit Utrecht, Nederland. Hun gezamenlijke expertise strekte zich uit over verschillende terreinen, met als hoogtepunt een alomvattend begrip van de SARS-CoV-2-virulentiefactor. Hun onderzoek toont aan dat de evenwichtsbindingsaffiniteit en de mechanische stabiliteit van het virus-mens-interface niet altijd gecorreleerd zijn, een bevinding die cruciaal is voor het begrijpen van de dynamiek van virale verspreiding en evolutie.

Bovendien biedt het gebruik van een magnetisch pincet door het team om de krachtstabiliteit en de bindingskinetiek van de SARS-CoV-2:ACE2-interface in verschillende virusstammen te bestuderen nieuwe perspectieven op het voorspellen van mutaties en het aanpassen van therapeutische strategieën. De methodologie is uniek omdat deze meet hoe sterk het virus zich bindt aan de ACE2-receptor, een belangrijk toegangspunt tot menselijke cellen, onder omstandigheden die de menselijke luchtwegen nabootsen.

De groep ontdekte dat hoewel alle belangrijke COVID-19-varianten (zoals alfa, bèta, gamma, delta en omicron) sterker aan menselijke cellen binden dan het oorspronkelijke virus, de alfavariant bijzonder stabiel is in zijn binding. Dit zou kunnen verklaren waarom de ziekte zich zo snel verspreidde onder populaties zonder voorafgaande immuniteit tegen COVID-19. De resultaten suggereren ook dat andere varianten, zoals bèta en gamma, zo zijn geëvolueerd dat ze bepaalde immuunreacties kunnen omzeilen, wat hen een voordeel zou kunnen opleveren in gebieden waar mensen enige immuniteit hebben, hetzij tegen eerdere infecties of vaccinaties.

Interessant is dat de delta- en omicron-varianten, die wereldwijd dominant zijn geworden, eigenschappen vertonen die hen helpen aan de immuunafweer te ontsnappen en zich mogelijk gemakkelijker te verspreiden. Ze binden echter niet noodzakelijkerwijs sterker dan andere varianten. Prof. Bernardi zegt: “Dit onderzoek is belangrijk omdat het ons helpt begrijpen waarom sommige COVID-19-varianten zich sneller verspreiden dan andere. Door het bindingsmechanisme van het virus te bestuderen, kunnen we voorspellen welke varianten vaker voorkomen en betere reacties daarop voorbereiden. ”

Dit onderzoek benadrukt het belang van biomechanica bij het begrijpen van virale pathogenese en opent nieuwe wegen voor wetenschappelijk onderzoek naar virale evolutie en therapeutische ontwikkeling. Het is een bewijs van het collaboratieve karakter van wetenschappelijk onderzoek bij het aanpakken van belangrijke gezondheidsuitdagingen.