Covid 19
2 Dicembre 2021
16:13

Questo modello 3d mostra le differenze delle varianti di coronavirus (anche della Omicron)

Uno straordinario modello 3D del coronavirus SARS-Cov-2 in una goccia di aerosol rivela il “segreto” della maggiore contagiosità delle varianti Omicron e Delta.
A cura di Andrea Centini
Le proteine spike del ceppo originale del coronavirus (a sinistra), della variante Delta (al centro) e della variante Omicron (a destra). Credit: Amaro Lab
Le proteine spike del ceppo originale del coronavirus (a sinistra), della variante Delta (al centro) e della variante Omicron (a destra). Credit: Amaro Lab
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La pandemia di COVID-19 non si combatte solo negli ospedali e nei laboratori, ma anche nei grandi centri di calcolo dove sono ospitati i potentissimi supercomputer, grazie ai quali è possibile simulare e prevedere il comportamento delle particelle del coronavirus SARS-CoV-2 in innumerevoli contesti e condizioni. Particolarmente significativi sono gli studi di fluidodinamica per comprendere meglio come si trasmette e diffonde nell'ambiente il patogeno pandemico, che sfrutta le goccioline respiratorie grandi (droplet) e piccole (aerosol) della saliva per “viaggiare” e trasferirsi da una persona all'altra. In uno dei più avanzati studi del genere, gli scienziati hanno creato per la prima volta una versione in scala atomica del coronavirus all'interno di una gocciolina di aerosol, per studiarne le interazioni e i possibili effetti sulla contagiosità. Ad esempio, è stato determinato che la proteina S o Spike ha una carica positiva molto più elevata nella variante Delta rispetto al ceppo originale e selvatico del virus di Wuhan; questa caratteristica, in combinazione alle mutazioni nel genoma, potrebbe spiegare la ragione per cui la variante emersa in India sia del 70 percento più trasmissibile, così come la nuova variante Omicron potrebbe esserlo più del 500 percento.

A creare questo straordinario modello del coronavirus SARS-CoV-2 è stato un team di ricerca americano guidato da scienziati dell'Amaro Lab presso la National Biomedical Computation Resource dell'Università della California di San Diego. Gli scienziati coordinati dalla professoressa Rommie Amaro, direttrice del centro e docente di Chimica e Biochimica, per mettere a punto la simulazione hanno sfruttato uno dei più potenti supercomputer al mondo, spesso utilizzato in ricerche di biofisica per la scoperta di nuovi farmaci. Grazie a questo potentissimo strumento i ricercatori hanno assemblato 1,3 miliardi di atomi virtuali per comporre il virus e la gocciolina di aerosol che lo conteneva, osservando il comportamento di ogni singolo “pezzo” con una precisione al milionesimo di secondo. Nella gocciolina di liquido, inoltre, non è stata contemplata la sola presenza di acqua, ma anche di composti tensioattivi, delle mucine del muco e di una serie di molecole provenienti dal fluido polmonare profondo.

Una particella del coronavirus SARS–CoV–2 immersa in una goccia di aerosol. Credit: Amaro Lab
Una particella del coronavirus SARS–CoV–2 immersa in una goccia di aerosol. Credit: Amaro Lab

Attraverso questo modello il copioso team della professoressa Rommie ha valutato le interazioni del coronavirus SARS-CoV-2 all'interno delle goccioline di aerosol, in particolar modo quelle con un diametro inferiore ai 100 micrometri (le più piccole possono contenere una singola particella del patogeno) e in grado di fluttuare nell'ambiente per ore. Si ritiene che queste particelle possano essere particolarmente pericolose in ambienti chiusi, come una chiesa (celebre il caso del superdiffusore corista che infettò 52 colleghi), un ascensore o un qualunque luogo poco areato. Come sottolineato al New York Times dal professor John Stone, docente presso il Beckman Institute dell'Università dell'Illinois a Urbana-Champaign, le particelle virali non possono sopravvivere per sempre nelle goccioline di aerosol; quando queste evaporano, infatti, l'aria entra in contatto col virus e lo distrugge. Ma per capire cosa esattamente accade alle particelle virali all'interno di una gocciolina respiratoria era necessaria una super simulazione, come appunto quella messa a punto dal team della professoressa Amato.

La proteina S del coronavirus SARS–CoV–2 vista dall’alto. Credit: Amaro Lab
La proteina S del coronavirus SARS–CoV–2 vista dall’alto. Credit: Amaro Lab

Il solo modello del virus nella simulazione è composto da ben 300 milioni di atomi virtuali, in cui gli scienziati hanno inserito tutte le componenti del patogeno, dal guscio lipidico di acidi grassi alle diverse proteine, comprese le Spike che spuntano dalla sua superficie come “ombrellini”. Un miliardo di atomi sono invece serviti a simulare la gocciolina respiratoria – di appena un quarto di micrometro – composta da acqua e dagli altri elementi indicati. Dopo aver inserito il virus nella gocciolina, hanno simulato le interazioni in un aerosol espulso, verificando ad esempio le collisioni tra gli atomi e le cariche elettriche generate, uno dei dettagli più significativi dell'intera ricerca. Dopo alcuni tentativi a vuoto, sono riusciti a stabilizzare la gocciolina di aerosol e a osservare attentamente cosa accade al suo interno. Le proteine Spike vengono colpite da atomi di calcio carichi positivamente, mentre i tensioattivi e le mucine (cariche negativamente) vengono attratti dalle proteine, generando una sorta di “scudo” attorno al virus. In questo modo, se il virus si avvicina troppo all'estremità della gocciolina, rischiando il contatto potenzialmente letale con l'aria, le mucine caricate aiutano a farlo "rimbalzare" indietro e a proteggerlo.

Una particella del coronavirus SARS–CoV–2. Credit: Amaro Lab
Una particella del coronavirus SARS–CoV–2. Credit: Amaro Lab

Questa scoperta potrebbe aiutarci a capire come mai la variante Delta è così trasmissibile. In parole semplici, le sue proteine Spike risultano molto più cariche rispetto a quelle del virus di Wuhan, quindi hanno uno “scudo” migliore che le protegge dall'aria e possono permanere più a lungo nelle goccioline di aerosol espulse nell'ambiente, catalizzando così il rischio di contagio. L'aspetto interessante è che dalle indagini preliminari le proteine Spike della variante Omicron risultano ancora più cariche positivamente, un dettaglio che potrebbe spiegare l'enorme contagiosità rilevata dai primi dati epidemiologici. Dalla simulazione la professoressa Amaro e i colleghi hanno inoltre osservato che di tanto in tanto una particella virale apriva le proteine Spike; la variante Delta aveva una capacità ancora maggiore di compiere questo ampliamento rispetto al virus originale. Una volta nei polmoni o nel naso, una proteina S più aperta può catalizzare l'infezione delle cellule; si ritiene che anche questo dettaglio possa migliorare la capacità della variante Delta di infettare. Gli scienziati sottolineano che l'apertura della proteina S potrebbe essere impedita dalle sostanze tensioattive mentre il virus si trova nelle goccioline; se si apre troppo presto, infatti, il virus verrebbe neutralizzato. I ricercatori sperano di mettere a punto al più presto anche il modello 3D della variante Omicron, per poterlo mettere così a confronto con quelli della variante Delta e del virus originale.

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