Von Quantenschwingungen bis hin zu Nanodiamanten: Ungewöhnlicher Werkzeugkasten überwacht gefährliche SARS-CoV-2-Varianten

Mit jeder neu aufgetauchten SARS-CoV-2-Variante bricht weltweit eine Panik aus, um das Ausmaß ihrer Bedrohung zu bestimmen. Aber eine Gruppe von Quantenbiologen, Ingenieuren und Virusphysikern glaubt, dass wir bereits die Werkzeuge haben, um gefährliche Coronaviren und ihre Varianten leichter zu erkennen – und zu stoppen.

Beim APS March Meeting 2022 werden die Wissenschaftler erörtern, wie Quantenschwingungen, molekulare Kartierung, genetische Hotspot-Überwachung und Nanodiamanten bereit sind, die Geheimnisse des Spike-Proteins und der RNA von SARS-CoV-2 zu lüften, was zu einer besseren Diagnose, Risikobewertung von Varianten, und Behandlung.

Sie werden ihre Ergebnisse auf einer Pressekonferenz am Donnerstag, 17. März 2022, teilen. Die Konferenz wird vor Ort abgehalten und über Zoom gestreamt.

Alle SARS-CoV-2-Viren verwenden das Spike-Protein, um in Wirtszellen einzudringen, was dieses Protein entscheidend für die Entwicklung besserer Impfstoffe und Medikamente macht. Aber ein Bereich der Geographie des Stachels ist nach wie vor schwer zu kartieren: der genaue Ort, an dem sich das Virus anheftet.

Karissa Sanbonmatsu, eine Strukturbiologin des Los Alamos National Laboratory, wandte zusammen mit Chang-Shung Tung die neuesten Computermethoden an, um die molekulare Zusammensetzung der Region herauszufinden.

„Wir präsentieren neue Modelle des Teils des Spike-Proteins, der das Virus am Wirt verankert, die mit experimentellen Daten übereinstimmen“, sagte Sanbonmatsu. Bei dem Treffen wird sie diskutieren, wie die Simulationen verwirrende Dichtemessungen erklären, die in Experimenten gefunden wurden.

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 Spike-Protein-Vibrationen die Wahrscheinlichkeit eines Elektronentransfers in Wirtsrezeptoren erhöhen können“, sagte Francesco Petruccione, Quantenbiologe, der die Ergebnisse vorstellen wird.

Die Gruppe untersuchte, welche Rolle dieser Quantentunnel bei der SARS-CoV-2-Infektion spielen könnte – und ob Behandlungen entwickelt werden könnten, um die Schwingungen zu unterbrechen, die dem Virus bei der Bindung helfen. 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“, sagte Petruccione. „Dieses Modell der Rezeptoraktivierung könnte auch eine Möglichkeit bieten, die Infektiosität neuer SARS-CoV-2-Stämme vorherzusagen.“

Die Bestimmung, welche Spike-Protein-Mutationen zu einer stärkeren Virusübertragung führen, bringt Epidemiologen regelmäßig ins Straucheln, da direkte experimentelle Daten erfordern würden, dass Menschen absichtlich Varianten ausgesetzt werden.

Der Riverside-Physiker John Barton von der University of California Riverside und Mitarbeiter beschlossen, das Problem auf unerwartete Weise anzugehen, indem sie genomische Überwachung und die Werkzeuge der statistischen Physik kombinierten.

„Unsere Methode ist unseres Wissens nach die erste, mit der die Auswirkungen von SARS-CoV-2-Mutationen auf die Virusübertragung, einschließlich der Reise infizierter Personen, anhand der Millionen von Virussequenzen, die während der Pandemie gesammelt wurden, umfassend bewertet werden können “, sagte Barton.

Das Team fand Hotspots im SARS-CoV-2-Genom, an denen hochinfektiöse Mutationen auftreten – auch in Proteinen, die weitaus weniger untersucht sind als der Spike. Bei dem Treffen wird Barton aktualisierte Daten zur Omicron-Variante präsentieren.

„Wichtig ist, dass unser Modell es uns ermöglicht, sehr schnell mehr übertragbare Varianten des Virus zu erkennen, wenn sie auftreten: Wir können eine signifikant erhöhte Übertragung für die Varianten Alpha und Delta feststellen, wenn sie in bestimmten Regionen nur mit einer Häufigkeit von etwa 1 % lagen“, sagte Barton .

Unabhängig von der Variante ist die Früherkennung einer Coronavirus-Infektion von entscheidender Bedeutung, um die Übertragung und Überspannungen zu stoppen.

Forscher unter der Leitung des Doktoranden des Massachusetts Institute of Technology, Changhao Li, entwickelten einen Quantensensor zur Diagnose von COVID-19. Ihr Test könnte eine extrem niedrige Falsch-Negativ-Rate ergeben, die Standard-PCR-Tests deutlich verbessert.

„Wir schlagen einen hybriden Quantensensor für Virus-RNA vor und demonstrieren ihn experimentell, basierend auf Stickstoff-Fehlstellen-Spindefekten in Nanodiamanten und magnetischen Nanopartikeln“, sagte Li. Die Gruppe veröffentlicht erste Entwürfe in Nano-Buchstaben.

Li wird bei dem Treffen neue vorläufige experimentelle Ergebnisse mitteilen. Nur mehrere hundert Kopien von SARS-CoV-2 würden ausreichen, um den Quantensensor zu pingen, was bedeutet, dass weniger als 1 % der Tests versehentlich negativ ausfallen würden. Der Test verspricht billig, schnell und einfach zu skalieren.

Von der Quanten- bis zur Computer-, Statistik- und Schwingungstechnik könnten die Physik und ihre etablierten Techniken nicht nur das Ende der aktuellen Pandemie beschleunigen, sondern auch den Grundstein für eine schnellere Reaktion auf die nächste legen.