(SARS-CoV-2-Immagine:visualizzazione della proteina spike del virus (ciano) circondata da molecole di muco (rosso) e ioni calcio (giallo). La membrana virale è mostrata in viola. Credito: Lorenzo Casalino dell’UC San Diego, l’Amaro Lab e il team di ricerca).
La UC San Diego sviluppa un modello computerizzato per aiutare a comprendere come i virus, in particolare SARS-CoV-2, viaggiano nell’aria.
Nel maggio 2021, i Centers for Disease Control hanno ufficialmente riconosciuto che SARS-CoV-2, il virus che causa COVID-19, è disperso nell’aria, il che significa che è altamente trasmissibile attraverso l’aria.
Ora Rommie Amaro, Professoressa di chimica e biochimica dell’Università della California di San Diego, insieme a partner negli Stati Uniti e in tutto il mondo, ha modellato per la prima volta il virus delta all’interno di un aerosol.
Questo lavoro è stato finalista per il Premio Gordon Bell, assegnato ogni anno dall’Association for Computing Machinery per riconoscere i risultati eccezionali nel calcolo ad alte prestazioni. Amaro ha guidato il team che ha vinto il premio l’anno scorso per il suo lavoro sulla modellazione di un virus SARS-CoV-2 di tutti gli atomi e della proteina spike del virus, per capire come si comporta e ottiene l’accesso alle cellule umane.
“È meraviglioso essere finalista per il Premio Gordon Bell per il secondo anno consecutivo”, ha dichiarato Amaro. “Ma più di questo, siamo davvero entusiasti del potenziale che questo lavoro ha per approfondire la nostra comprensione di come i virus vengono trasmessi attraverso gli aerosol. Im risultati potrebbero cambiare il modo in cui vediamo le malattie trasmesse dall’aria”.
Gli aerosol sono minuscoli. Un capello umano ha un diametro di circa 100 micron. Le goccioline, pensa allo spray che esce dalla bocca e dal naso quando starnutisci, sono più grandi di 100 micron e cadono a terra in pochi secondi. Al contrario, gli aerosol, prodotti semplicemente respirando e parlando, sono tutti più piccoli di 100 micron e possono fluttuare nell’aria per ore e percorrere lunghe distanze.
Visualizzazione del delta SARS-CoV-2 in un aerosol respiratorio, dove il virus è raffigurato in viola con le proteine spike tempestate in ciano. Le mucine sono rosse, le proteine dell’albumina verdi e i lipidi del fluido polmonare profondo in ocra. Credito: Abigail Dommer dell’UC San Diego, Amaro Lab e il team di ricerca.
Kim Prather, illustre cattedra di chimica atmosferica e Direttore del Center for Aerosol Impacts on Chemistry of the Environment (CAICE), ha studiato a fondo gli spruzzi marini e gli aerosol oceanici. Ha contattato Amaro diversi anni fa notando che questi aerosol contenevano molto di più dell’acqua di mare.
“Il pensiero comune era che gli aerosol oceanici contenessero solo acqua salata”, ha affermato Prather. “Ma abbiamo scoperto che all’interno c’era una tonnellata di biologia oceanica: organismi viventi tra cui proteine e virus. Non solo ho pensato che Rommie sarebbe stata interessata a studiare questo, ma ho anche pensato che il suo lavoro potesse essere davvero utile nell’aiutarci a comprendere meglio la composizione e il movimento degli aerosol e la sopravvivenza nell’aria”.
Il laboratorio di Amaro iniziò a sviluppare modelli computerizzati di come apparissero gli aerosol utilizzando il lavoro di Prather sugli spruzzi marini. Queste simulazioni hanno aperto la strada ad Amaro e al suo gruppo per comprendere i metodi sperimentali e gli strumenti utilizzati per studiare gli aerosol, in generale, nonché per sviluppare un quadro utile per costruire, simulare e analizzare modelli complessi di aerosol.
Quando SARS-CoV-2 è apparso sulla scena all’inizio del 2020, la ricercatrice ha iniziato a modellare il virus ed è stata in grado di mostrare come infetta le cellule ospiti attraverso un rivestimento zuccherino chiamato glicano che copre le proteine spike.
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Gli scienziati sospettavano che SARS-CoV-2 fosse nell’aria, quindi lo studio del virus all’interno di un aerosol ha fornito l’opportunità di sostenere quei sospetti con prove. Prendendo il lavoro che il suo laboratorio stava già facendo con gli aerosol e il lavoro che stava facendo anche il suo laboratorio con il virus, Amaro ha messo insieme due più due.
“Sono questi aerosol fini che possono viaggiare più lontano e spostarsi nel polmone profondo, il che può essere devastante“, ha affermato Amaro. “Non esiste uno strumento sperimentale, nessun microscopio che permetta alle persone di vedere le particelle in così tanto dettaglio, ma questo nuovo microscopio computazionale ci consente di vedere cosa succede al virus: come si muove, come rimane contagioso durante il volo. C’è qualcosa di molto potente nell’essere in grado di vedere che aspetto, vedere come i componenti si uniscono: cambia radicalmente il tipo di domande che le persone pensano persino di porre”.
Per capire meglio come il virus si muove e vive all’interno degli aerosol, Amaro ha lavorato con un team di 52 persone da tutto il mondo, incluso l’Oak Ridge National Laboratory, utilizzando il loro supercomputer Summit per simulare i modelli. Summit è uno dei pochi supercomputer al mondo in grado di eseguire queste simulazioni su larga scala, che hanno permesso ai ricercatori di vedere gli aerosol a un miliardo di atomi senza precedenti.
Queste simulazioni includevano dettagli più complessi delle membrane del virus, nonché visualizzazioni degli aerosol. Oltre al virus SARS-CoV-2, questi aerosol respiratori submicronici contenevano anche mucine, tensioattivo polmonare, acqua e ioni.
Le mucine sono polimeri che rivestono la maggior parte delle superfici del corpo bagnate, compreso il tratto respiratorio e possono funzionare per proteggere il virus da elementi esterni aggressivi come la luce solare. Una delle ipotesi che il team di Amaro sta esplorando è se la variante delta di SARS-CoV-2 sia più trasmissibile in parte perché sembra interagire così bene con le mucine.
Ora che i modelli sono stati costruiti, Amaro spera di creare formalmente un esperimento che testerà le previsioni dei movimenti dei virus aerosolizzati. Sta inoltre sviluppando strumenti che indagheranno su come l’umidità, il vento e altre condizioni esterne influenzano la trasmissione e la vita del virus negli aerosol.
Al di là delle esigenze immediate di apprendere il più possibile su come opera SARS-CoV-2, i modelli computerizzati di aerosol possono avere impatti ad ampio raggio, comprese le scienze del clima e la salute umana.
“Quello che abbiamo imparato durante la pandemia è che gli aerosol sono stati uno dei principali fattori di diffusione del virus e che la loro importanza nella trasmissione di molti altri agenti patogeni respiratori è stata sistematicamente sottovalutata”, ha affermato il Dottor Robert “Chip” Schooley, Professore del Dipartimento di Medicina della UC San Diego School of Medicine. “Più impariamo sugli aerosol e su come ospitano virus e inquinanti, come la fuliggine, che hanno un impatto negativo sulla salute, migliore sarà la nostra posizione per creare misure efficaci di trattamento e mitigazione. Ciò avvantaggia la salute pubblica e il benessere delle persone in tutto il mondo”.
Questo lavoro è apparso in The Proceedings of SC21, Virtual Event, 14-19 novembre 2021.
Fonte:Scitechdaily
