Προκειμένου να γίνει ευκολότερα κατανοητό πως ο κορονοϊός «ταξιδεύει» από ένα άτομο σε ένα άλλο, μια ομάδα 50 επιστημόνων δημιούργησε για πρώτη φορά μια ατομική προσομοίωση του ιού, μέσα σε μια μικροσκοπική αερομεταφερόμενη σταγόνα νερού. Για να δημιουργήσουν το μοντέλο, οι ερευνητές χρειάστηκαν έναν από τους μεγαλύτερους υπερυπολογιστές του κόσμου, ώστε να συγκεντρώσει 1,3 δισεκατομμύρια άτομα και να παρακολουθήσει όλες τις κινήσεις τους σε λιγότερο από το ένα εκατομμυριοστό του δευτερολέπτου.
Με τον τρόπο αυτόν προσέφεραν μια άνευ προηγουμένου ματιά, στο πώς ο ιός επιβιώνει στο περιβάλλον καθώς εξαπλώνεται σε έναν νέο ξενιστή.
Η προσομοιωμένη σταγόνα υγρού περιλαμβάνει τον κορονοϊό, τις πρωτεΐνες ακίδας του, μακριές βλεννίνες, κολλώδεις επιφανειοδραστικές ουσίες και ένα μείγμα μορίων από βαθύ πνευμονικό υγρό.
Lorenzo Casalino and Abigail Dommer, Amaro Lab, U.C. San Diego
«Το να βάλει κανείς έναν ιό σε μια σταγόνα νερού δεν έχει ξαναγίνει», είπε η Ρόμι Αμάρο, βιολόγος στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στο Σαν Ντιέγκο, η οποία ηγήθηκε της προσπάθειας που παρουσιάστηκε στο Διεθνές Συνέδριο για Υπολογιστές Υψηλής Απόδοσης, Δικτύωσης, Αποθήκευσης και Ανάλυσης τον Νοέμβριο. «Οι άνθρωποι κυριολεκτικά δεν έχουν δει ποτέ πώς μοιάζει κάτι τέτοιο», πρόσθεσε.
Σταγονίδια και αερολύματα
Το πώς εξαπλώνεται ο κορονοϊός στον αέρα αποτέλεσε αντικείμενο έντονων συζητήσεων στις αρχές της πανδημίας. Πολλοί επιστήμονες, υποστήριξαν την παραδοσιακή άποψη ότι το μεγαλύτερο μέρος της μετάδοσης του ιού οφείλεται στις μεγαλύτερες σταγόνες, που συχνά παράγονται στον βήχα και το φτάρνισμα. Αυτά τα σταγονίδια, μπορούν να «ταξιδέψουν» σε μια μικρή απόσταση πριν πέσουν στο πάτωμα.
Τρισδιάστατη απεικόνιση βήχα όπου παράγονται μεγάλα σταγονίδια και μικροσκοπικά αερολύματα.
The New York Times
Όμως, επιδημιολογικές μελέτες έδειξαν ότι άτομα με Covid-19 θα μπορούσαν να μολύνουν άλλους ακόμα και σε πολύ μεγαλύτερη απόσταση. Μόνο και μόνο το να μιλάς χωρίς μάσκες σε έναν ανεπαρκώς αεριζόμενο εσωτερικό χώρο, όπως ένα μπαρ, μια εκκλησία ή μια τάξη, είναι αρκετό για να εξαπλωθεί ο ιός.
Τα ευρήματα έδειξαν ότι πολύ μικρότερες σταγόνες, που ονομάζονται αερολύματα, λειτουργούν ως σημαντικοί φορείς μόλυνσης. Οι επιστήμονες ορίζουν ότι τα σταγονίδια έχουν διάμετρο περίπου 4 χιλιοστά της ίντσας. Τα αερολύματα είναι αρκετά μικρότερα και σε ορισμένες περιπτώσεις τόσο μικρά, που μόνο ένας ιός μπορεί να… χωρέσει μέσα τους. Μάλιστα, χάρη στο μικροσκοπικό τους μέγεθος, τα αερολύματα μπορούν να «ταξιδεύουν» στον αέρα για ώρες.
Προσομοίωση ενός αεροζόλ που φέρει έναν μόνο κορονοϊό.
John Stone, Beckman Institute, Univ. of Illinois at Urbana-Champaign
Παρόλα αυτά, οι ιοί δεν μπορούν να επιβιώσουν για πάντα στα αερολύματα. Οι ερευνητές συχνά ανακαλύπτουν ότι οι ιοί που συλλέγονται από τον αέρα έχουν υποστεί τέτοια βλάβη, που δεν είναι σε θέση πλέον να μολύνουν τα κύτταρα. Είναι πιθανό ότι καθώς τα αερολύματα εξατμίζονται, ο αέρας καταστρέφει τη μοριακή δομή του ιού. Ή η χημεία μέσα στη μικροσκοπική σταγόνα, μπορεί να γίνει πολύ εχθρική για να επιβιώσουν.
«Σε αυτό το σημείο, δεν καταλαβαίνουμε πώς συμβαίνει αυτό», εξήγησε η Λίνσεϊ Μαρρ, καθηγήτρια πολιτικών και περιβαλλοντικών μηχανικών στο Virginia Tech, η οποία δεν συμμετείχε στη νέα μελέτη. «Τα μικροσκόπια που θα μπορούσαν να δώσουν λεπτομερείς εικόνες του τι συμβαίνει μέσα σε ένα αεροζόλ γεμάτο με ιούς, δεν έχουν εφευρεθεί ακόμη!»
Η πρωτοποριακή έρευνα
Τον Μάρτιο του 2020, η Δρ. Αμάρο και οι συνεργάτες της αποφάσισαν ότι ο καλύτερος τρόπος για να ανοίξουν αυτό το «μαύρο κουτί». ήταν να φτιάξουν ένα δικό τους αεροζόλ γεμάτο με ιούς. Οι ερευνητές ξεκίνησαν δημιουργώντας ένα μοντέλο του κορονοϊού, γνωστού ως SARS-CoV-2, από 300 εκατομμύρια εικονικά άτομα. Συνδύασαν χιλιάδες μόρια λιπαρών οξέων σε ένα κέλυφος μεμβράνης και στη συνέχεια έβαλαν εκατοντάδες πρωτεΐνες μέσα.
Μερικές από αυτές τις πρωτεΐνες διατηρούν ανέπαφη τη μεμβράνη του ιού. Άλλες, που ονομάζονται πρωτεΐνες ακίδας, σχηματίζουν δομές που μοιάζουν με λουλούδια και υψώνονται πολύ πάνω από την επιφάνεια του ιού. Οι άκρες των ακίδων μερικές φορές ανοίγουν αυθόρμητα, επιτρέποντας στον ιό να κολλήσει σε ένα κύτταρο ξενιστή και να εισβάλει στον οργανισμό.
Ένα μοντέλο κορονοϊού με 300 εκατομμύρια άτομα δείχνει την ιική μεμβράνη διάστικτη με πρόσθετες ιικές πρωτεΐνες και προεξέχουσες πρωτεΐνες ακίδας.
Lorenzo Casalino and Abigail Dommer, Amaro Lab, U.C. San Diego
Αφού κατασκεύασαν λοιπόν τον ιό τους, η Δρ. Αμάρο και οι συνάδελφοί της έφτιαξαν ένα αερόλυμα για να το βάλουν μέσα. Χρησιμοποιώντας ένα δισεκατομμύριο άτομα, δημιούργησαν μια εικονική σταγόνα με διάμετρο το ένα τέταρτο του μικρομέτρου, λιγότερο από το ένα εκατοστό του πλάτους ενός κλώνου ανθρώπινης τρίχας . Ωστόσο, οι ερευνητές δεν μπορούσαν να προσομοιώσουν το αεροζόλ ως μια σταγόνα καθαρού νερού. Όταν ένα αερόλυμα απελευθερώνεται από το υγρό στους πνεύμονές μας, φέρνει μαζί ένα μείγμα από άλλα μόρια από το σώμα μας.
Μόλις ο ιός εισήλθε στο αερόλυμα , οι επιστήμονες αντιμετώπισαν τη μεγαλύτερη πρόκληση του έργου: να φέρουν τη σταγόνα στη ζωή. Έτσι, υπολόγισαν τις δυνάμεις που ασκούνται σε ολόκληρο το αερόλυμα, λαμβάνοντας υπόψη τις συγκρούσεις μεταξύ των ατόμων καθώς και το ηλεκτρικό πεδίο που δημιουργείται από τα φορτία τους. Προσδιόρισαν πού θα ήταν κάθε άτομο σε τέσσερα εκατομμυριοστά του δισεκατομμυριοστού του δευτερολέπτου αργότερα.
Στο να πραγματοποιήσουν αυτό το ογκώδες σύνολο υπολογισμών, συνέβαλε ο υπερυπολογιστής «Summit» από το Εθνικό Εργαστήριο «Oak Ridge »στο Τενεσί, ο δεύτερος πιο ισχυρός στον κόσμο. Μάλιστα, επειδή το μηχάνημα είχε μεγάλη ζήτηση, μπορούσαν να εκτελέσουν το πείραμά τους μόνο λίγες φορές.
Η πρώτη απόπειρα έπεσε στο κενό. Μετά από αρκετές προσπάθειες, το αερόλυμα έγινε σταθερό. Οι ερευνητές έκαναν τους υπολογισμούς από την αρχή για να δουν τι συνέβη μέσα του μια στιγμή αργότερα. Στην ουσία, δημιούργησαν εκατομμύρια καρέ μιας ταινίας, που κατέγραψε τη δραστηριότητα του αερολύματος για δέκα δισεκατομμυριοστά του δευτερολέπτου.
Εντυπωσιακά ευρήματα
«Αν και η μοριακή μοντελοποίηση (molecular modeling) δεν είναι κάτι καινούργιο, η κλίμακα αυτού του έργου είναι ένα επίπεδο παραπέρα», είπε ο Μπράιαν Ο’ Φλιν, μεταδιδακτορικός ερευνητής στο Ερευνητικό Νοσοκομείο Παίδων St. Jude που δεν συμμετείχε στη μελέτη.
Η δραστηριότητα που παρακολούθησαν οι επιστήμονες, έδωσε στοιχεία για το πώς οι ιοί επιβιώνουν μέσα στα αερολύματα. Οι βλεννίνες, για παράδειγμα, δεν περιφέρονταν απλώς αδρανείς γύρω από το αεροζόλ. Οι αρνητικά φορτισμένες βλεννίνες έλκονταν από τις θετικά φορτισμένες πρωτεΐνες ακίδας. Φορτισμένα άτομα όπως το ασβέστιο, «πετούν» γύρω από το σταγονίδιο, ασκώντας ισχυρές δυνάμεις στα μόρια που συναντούν.
Ο Δρ Αμάρο υπέθεσε ότι οι βλεννίνες λειτουργούν ως ασπίδα. Εάν ο ιός κινηθεί πολύ κοντά στην επιφάνεια του αερολύματος, οι βλεννίνες τον σπρώχνουν πίσω, έτσι ώστε να μην εκτεθεί στον θανατηφόρο αέρα.
Κάτοψη μιας προσομοιωμένης πρωτεΐνης ακίδας.
Lorenzo Casalino, Amaro Lab, U.C. San Diego
Μεταλλάξεις
Αυτή η ανακάλυψη μπορεί να βοηθήσει να εξηγηθεί πώς η μετάλλαξη Δέλτα κατέληξε να γίνει τόσο διαδεδομένη. Οι πρωτεΐνες ακίδας της Δέλτα έχουν πιο θετικό φορτίο από αυτές σε προηγούμενες μορφές του κορονοϊού. Ως αποτέλεσμα, οι βλεννίνες συγκεντρώνονται πιο κοντά γύρω τους. Αυτή η έλξη θα μπορούσε ενδεχομένως να μετατρέψει τις βλεννίνες σε καλύτερη ασπίδα. Συχνά, κατά τη διάρκεια της έρευνας, ένας από τους προσομοιωμένους κορονοϊούς εμφάνιζε μια πρωτεΐνη ακίδας, εκπλήσσοντας τους επιστήμονες. «Η παραλλαγή Δέλτα εμφανίζει πολύ πιο εύκολα από το αρχικό στέλεχος που είχαμε προσομοιώσει», σημείωσε η ο Δρ. Αμάρο.
Οι ερευνητές σχεδιάζουν σε επόμενο στάδιο να «κατασκευάσουν» μια μετάλλαξη Ομικρον για να παρατηρήσουν πώς αυτή συμπεριφέρεται σε ένα αερόλυμα. Ωστόσο, θέλουν να περιμένουν τους δομικούς βιολόγους να επεξεργαστούν το τρισδιάστατο σχήμα των πρωτεϊνών της ακίδας πριν ξεκινήσουν. Βέβαια, κοιτάζοντας μόνο τα πρώτα ευρήματα για την νέα παραλλαγή, η Δρ Αμάρο βλέπει ήδη ένα σημαντικό χαρακτηριστικό: «Είναι ακόμα πιο θετικά φορτισμένη», ανέφερε. Επειδή οι πρωτεΐνες ακίδας της «Ο» είναι ακόμη πιο θετικά φορτισμένες από αυτές της «Δ», αυτό μπορεί να δημιουργήσει καλύτερη «ασπίδα» βλεννίνης στα αερολύματα. Έτσι, αυτό με τη σειρά του μπορεί να τη βοηθήσει να γίνει ακόμα πιο μεταδοτική.
Ο Δρ Μαρρ, υποστήριξε ότι η προσομοίωση αυτή μπορεί εν τέλει να επιτρέψει στους επιστήμονες να προβλέψουν την απειλή μελλοντικών πανδημιών. Θα μπορούσαν δηλαδή να κατασκευάσουν ατομικά μοντέλα ιών που ανακαλύφθηκαν πρόσφατα και να τους βάλουν σε αερολύματα για να παρακολουθήσουν τη συμπεριφορά τους. «Βέβαια», εξήγησε, «υπάρχει πολύς δρόμος για να φτάσουμε εκεί, αλλά αυτό αποτελεί σίγουρα ένα πολύ σημαντικό πρώτο βήμα!»
Tρεις πρωτεΐνες κορονοϊού: Tο αρχικό στέλεχος, η παραλλαγή ΔΕΛΤΑ και η παραλλαγή Ομικρον (από αριστερά προς δεξιά).
Fiona Kearns and Mia Rosenfeld, Amaro Lab, U.C. San Diego
Πηγή: Carl Zimmer/Jonathan Corum – The New York Times
Φωτογραφίες: The New York Times
