Ungewöhnliche Toolbox überwacht gefährliche Corona-Varianten - und kann die infektiösesten erkennen
Dank einer unerwarteten Virusphysik könnten wir die nächste Omikron-Variante finden und bekämpfen, lange bevor sie ausbricht
Mit jeder neuen SARS-CoV-2-Variante, die auftaucht, bricht weltweit Panik aus, um den Grad der Bedrohung zu bestimmen. Eine Gruppe von Quantenbiologen, Ingenieuren und Virusphysikern ist jedoch der Meinung, dass wir bereits über die Mittel verfügen, um gefährliche Coronaviren und ihre Varianten leichter aufzuspüren und zu stoppen.
Das SARS-CoV-2-Spike-Protein erleichtert die Invasion von Wirtszellen durch Bindung an in die Zellmembran eingebettete ACE2-Rezeptoren.
Adams et al.
Auf dem APS March Meeting 2022 werden Wissenschaftler erörtern, wie Quantenschwingungen, molekulares Mapping, genetische Hotspot-Überwachung und Nanodiamanten die Geheimnisse des Spike-Proteins und der RNA von SARS-CoV-2 entschlüsseln können, was zu einer besseren Diagnose, Risikobewertung von Varianten und Behandlung führt.
Sie werden ihre Ergebnisse auf einer Pressekonferenz am Donnerstag, dem 17. März 2022, um 12 Uhr CDT vorstellen. Die Konferenz findet vor Ort statt und wird über Zoom gestreamt.
Alle SARS-CoV-2-Viren verwenden das Spike-Protein, um in die Wirtszellen einzudringen - ein Protein, das für die Entwicklung besserer Impfstoffe und Medikamente entscheidend ist. Ein Bereich der Spike-Geografie ist jedoch nach wie vor schwer zu kartieren: der genaue Ort, an dem sich das Virus festsetzt.
Karissa Sanbonmatsu, Strukturbiologin am Los Alamos National Laboratory, wandte daher zusammen mit Chang-Shung Tung die neuesten Berechnungsmethoden an, um den molekularen Aufbau der Region zu ermitteln.
"Wir präsentieren neue Modelle für den Teil des Spike-Proteins, der das Virus im Wirt verankert, die mit den experimentellen Daten übereinstimmen", so Sanbonmatsu. Auf der Tagung wird sie erörtern, wie die Simulationen die verwirrenden, in Experimenten gefundenen Dichtemessungen erklären.
Die Bindung zwischen Spike-Protein und Wirtszelle führt auch zu einigen "schlechten Schwingungen", wie eine Gruppe an der Universität von KwaZulu-Natal herausgefunden hat.
"Im Fall von SARS-CoV-2 zeigen wir, dass die Schwingungen des Spike-Proteins die Wahrscheinlichkeit eines Elektronentransfers in den Wirtsrezeptoren erhöhen können", sagt Francesco Petruccione, ein Quantenbiologe, der die Ergebnisse vorstellen wird.
Die Gruppe untersuchte, welche Rolle dieses Quantentunneln bei der SARS-CoV-2-Infektion spielen könnte - und ob Behandlungen entwickelt werden könnten, um die Schwingungen zu unterbrechen, die die Bindung des Virus unterstützen. Mutationen, die zu neuen Varianten führen, führen auch zu unterschiedlichen Schwingungsmustern.
"Das praktischste Ergebnis dieser Forschung ist die Identifizierung neuer Therapeutika zur Verhinderung einer SARS-CoV-2-Infektion", so Petruccione. "Dieses Modell der Rezeptoraktivierung könnte auch eine Möglichkeit bieten, die Infektiosität neuer Stämme von SARS-CoV-2 vorherzusagen."
Die Bestimmung, welche Spike-Protein-Mutationen zu einer verstärkten Übertragung des Virus führen, stellt Epidemiologen regelmäßig vor ein Rätsel, da direkte experimentelle Daten eine absichtliche Exposition von Menschen gegenüber Varianten erfordern würden.
Der Physiker John Barton von der University of California Riverside und seine Mitarbeiter beschlossen, das Problem auf unerwartete Weise anzugehen, indem sie die genomische Überwachung mit den Werkzeugen der statistischen Physik kombinierten.
"Unsere Methode ist unseres Wissens die erste, die die Auswirkungen von SARS-CoV-2-Mutationen auf die Virusübertragung umfassend bewerten kann, einschließlich der Reisen infizierter Personen, und zwar unter Verwendung der Millionen von Virussequenzen, die während der Pandemie gesammelt wurden", so Barton.
Das Team fand Hotspots im SARS-CoV-2-Genom, an denen hochinfektiöse Mutationen auftreten - auch in Proteinen, die weit weniger untersucht wurden als der Spike. Auf der Tagung wird Barton aktualisierte Daten über die Omicron-Variante vorstellen.
"Wichtig ist, dass unser Modell es uns ermöglicht, sehr schnell weitere übertragbare Varianten des Virus zu erkennen, sobald sie entstehen: Wir können eine signifikant erhöhte Übertragung für die Varianten Alpha und Delta feststellen, obwohl sie in bestimmten Regionen nur mit einer Häufigkeit von etwa 1 % vorkamen", so Barton.
Unabhängig von der Variante ist die frühzeitige Erkennung einer Coronavirus-Infektion von entscheidender Bedeutung, um die Übertragung und die Ausbreitung zu stoppen.
Die Forscher um den Doktoranden Changhao Li vom Massachusetts Institute of Technology haben einen Quantensensor zur Diagnose von COVID-19 entwickelt. Ihr Test könnte eine extrem niedrige Falsch-Negativ-Rate aufweisen, die den Standard-PCR-Tests deutlich überlegen ist.
"Wir schlagen einen hybriden Quantensensor für Virus-RNA vor, der auf Stickstoff-Facancy-Spin-Defekten in Nanodiamanten und magnetischen Nanopartikeln basiert, und demonstrieren diesen experimentell", so Li. Die Gruppe hat erste Entwürfe in Nano Letters veröffentlicht.
Li wird auf der Tagung neue vorläufige experimentelle Ergebnisse vorstellen. Nur einige hundert Kopien von SARS-CoV-2 würden ausreichen, um den Quantensensor anzustecken, was bedeutet, dass weniger als 1 % der Tests versehentlich negativ ausfallen würden. Der Test verspricht, billig und schnell zu sein und sich leicht vergrößern zu lassen.
Von der Quantenphysik über die statistische Physik bis hin zur Schwingungsphysik - die Physik und ihre bewährten Techniken könnten nicht nur das Ende der aktuellen Pandemie beschleunigen, sondern auch die Grundlage für eine schnellere Reaktion auf die nächste Pandemie schaffen.
Hinweis: Dieser Artikel wurde mit einem Computersystem ohne menschlichen Eingriff übersetzt. LUMITOS bietet diese automatischen Übersetzungen an, um eine größere Bandbreite an aktuellen Nachrichten zu präsentieren. Da dieser Artikel mit automatischer Übersetzung übersetzt wurde, ist es möglich, dass er Fehler im Vokabular, in der Syntax oder in der Grammatik enthält. Den ursprünglichen Artikel in Englisch finden Sie hier.
Originalveröffentlichung
"SARS-CoV-2 Quantum Sensor Based on Nitrogen-Vacancy Centers in Diamond"; Nano Letters; 2021
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