Vědci dostali koronavirus do kapky vody. Už tuší, co zrychluje přenos variant

K vytvoření tohoto modelu potřebovali odborníci jeden z největších superpočítačů na světě, který virtuálně vytvořil 1,3 miliardy atomů a sledoval všechny jejich pohyby s přesností na méně než miliontinu sekundy, píše deník The New York Times. Tato výpočetní metoda nabízí nebývalý pohled na to, jak virus přežívá ve vzduchu, když se šíří k novému hostiteli.

„Vložit virus do kapky vody se ještě nikdy nikomu nepodařilo,“ řekla Rommie Amarová, vedoucí bioložka z Kalifornské univerzity v San Diegu, která stála v čele úsilí, jež bylo představeno na Mezinárodní konferenci pro vysoce výkonné výpočetní, síťové, skladovací a analytické systémy minulý měsíc. „Lidé doslova nikdy neviděli, jak to vypadá.“

Jak se koronavirus šíří vzduchem, se stalo předmětem vášnivých debat už od samého počátku pandemie. Část vědců prosazovala tradiční názor, že většinu přenosů viru umožnily kapénky, které často vznikají při kašli a kýchání. Kapénky ale mohou letět jen pár metrů, než spadnou na zem.

Epidemiologické studie však ukázaly, že lidé přenášeli covid-19 i na mnohem větší vzdálenost. Už jenom pouhé povídání bez masek ve špatně větraném vnitřnímu prostoru, jako je bar, kostel nebo třída, stačilo k šíření viru.

Tato zjištění poukazovala, že hlavními nosiči jsou mnohem menší částice, takzvané aerosoly. Jako kapénky vědci definují částice o průměru větším než 100 mikrometrů. Aerosoly jsou menší – v některých případech tak malé, že se do nich vejde pouze jeden virus. A díky jejich nepatrné velikosti se aerosoly mohou vznášet ve vzduchu i celé hodiny.

Viry ale v aerosolech nemohou přežít věčně. Odborníci opakovaně pozorovali, že viry odebrané ze vzduchu se po nějaké době natolik poškodily, že už nemohly infikovat buňky. Jedním z vysvětlení je, že když se aerosoly vypařují, vzduch ničí molekulární strukturu viru. Další důvod může být, že se chemie uvnitř té malé částice může stát příliš nepřátelskou, než aby vir přežil.

„V této chvíli nechápeme, jak se to mohlo stát,“ řekla Linsey Marrová, profesorka stavebního a environmentálního inženýrství na Virginia Tech. Mikroskopy, které dokážou zachytit detailní záběry toho, co se děje uvnitř aerosolu nabitého viry, ještě nebyly vynalezeny.

V březnu 2020 se doktorka Amarová a její kolegové rozhodli, že nejlepším způsobem, jak probádat tuto nezmapovanou oblast, je namodelovat vlastní aerosol nabitý viry.

Vědci proto vytvořili model viru SARS-CoV-2 z 300 milionů virtuálních atomů. Zkombinovali tisíce molekul mastných kyselin do membránové schránky a uvnitř pak uložili stovky proteinů.

Některé z těchto proteinů jsou důležité, protože udržují membránu viru neporušenou. Další jsou pak spike proteiny, které svojí strukturou připomínají květiny, jež vyčnívají vysoko nad povrch viru. Jejich špičky ostnů se někdy samovolně rozevřou, čímž se virus přichytí na hostitelskou buňku a napadne ji.

Po tvorbě modelu viru doktorka Amarová a její kolegové zhotovili aerosol, do kterého vložili koronavirus. Aerosol vznikl pomocí miliardy atomů, jež vytvořily virtuální kapku o průměru čtvrt mikrometru, což je méně než setina šířky lidského vlasu.

Vědci však nemohli aerosol simulovat jako kapku čisté vody. Při kašlání se aerosol uvolní z tekutiny v našich plicích a vypouštíme ho z úst s dalšími molekulami z našeho těla.

Tato směs obsahuje muciny, což jsou dlouhé bílkoviny s navázanými sacharidy z plicní sliznice. Aerosoly také přenášejí hlubokou plicní tekutinu a povrchově aktivní látky, které pomáhají udržet náš dýchací systém funkční.

Jakmile se vědcům podařilo virus uložit do aerosolu, čelili největší výzvě celého projektu: uvedení kapky k životu. Tým vypočítal síly působící na celý aerosol, přičemž vzal v úvahu srážky mezi atomy i elektrické pole vytvořené jejich náboji. Modelací určili, kde každý atom bude o čtyři miliontiny sekundy později.

Rozsáhlý soubor výpočtů provedli na superpočítači Summit v Oak Ridge National Laboratory v Tennessee, což je druhý nejvýkonnější superpočítač na světě. Po stroji je však velká poptávka, simulaci tak mohli vědci spustit jen párkrát.

„Máme jen tolik záběrů, abychom zjistili, jestli se nám podaří danou věc skutečně zprovoznit,“ řekla doktorka Amarová.

První simulace byla katastrofa. Drobné vady modelu způsobily, že virtuální atomy do sebe narazily a aerosol se okamžitě rozletěl na kusy. „V podstatě explodoval,“ dodala.

Po několika úpravách se aerosol ustálil. Odborný tým znovu prozkoumal výpočty, aby zjistil, co se stalo uvnitř aerosolu. Dohromady vytvořili miliony snímků ze záběru, který zachytil aerosolovou aktivitu na deset miliardtin sekundy.

Neutuchající aktivita, jíž byla doktorka Amarová a její kolegové svědky, nabízí vodítka, jak viry uvnitř aerosolů přežívají.

Na základě zjištěných výstupů začala doktorka Amarová usuzovat, že hleny fungují jako štít. Pokud se virus pohybuje příliš blízko povrchu aerosolu, mucin/hlen je zatlačí zpět, takže nejsou vystaveny smrtícímu vzduchu.

„Myslíme si, že se virus zahaluje do těchto slizů a to na něj během letu působí jako ochranný povlak,“ vysvětluje doktorka Amarová.

Tento objev by možná mohl pomoci vysvětlit rychlejší šíření varianty delta. Spike proteiny delty mají pozitivnější náboj než proteiny na dřívějších formách koronaviru. V důsledku toho se kolem nich více shlukují slizy. Tahle přitažlivost by mohla z mucinu udělat lepší štít.

Tu a tam některý ze simulovaných koronavirů prudce otevřel svůj spike protein, což vědce překvapilo. „Varianta delta se otevírá mnohem snadněji než původní kmen, který jsme simulovali,“ představuje další z poznatků doktorka Amarová.

Amarová dále z výzkumu usoudila, že pro koronavirus není výhodné otevřít spike protein, když je ještě uvnitř aerosolu. „Pokud se otevře příliš brzy, může se prostě rozpadnout,“ dodala vědkyně.

Některé z molekul, které jsou uvnitř aerosolů hojně zastoupeny, mohou být schopné na cestě spike protein zavřít, řekla. Určité plicní povrchově aktivní látky se vejdou do kapsy na povrchu spike proteinu, čímž zabrání jeho otevření.

Aby si tuto hypotézu doktorka Amarová a její tým potvrdily, natáhnou časový rámec své simulace stokrát, z deseti miliardtin sekundy na miliontinu sekundy. Zároveň budou zkoumat, jaký vliv má kyselost uvnitř aerosolu a vlhkost vzduchu kolem.

Tým plánuje namodelovat i variantu omikron a pozorovat, jak se chová v aerosolu. Při pouhém pohledu na první nálezy omikronu však doktorka Amarová už vidí jeden důležitý rys: „Je ještě pozitivněji nabitý.“

Vzhledem k tomu, že spike proteiny omikronu jsou ještě kladněji nabité než proteiny delty, je podle odbornice možné, že si může vytvořit lepší mucinový štít v aerosolech. A to může přispět k tomu, aby byl ještě nakažlivější.

Doktorka Marrová řekla, že simulace by nakonec mohla vědcům umožnit předpovídat hrozbu budoucích pandemií. Díky tomu by mohli sestavit detailní modely nově objevených virů a vložit je do aerosolů a sledovat je, jak se chovají.

„To má důsledky pro pochopení vznikajících virů, o kterých zatím nevíme,“ říká Marrová a dodává: „Čeká nás ještě dlouhá cesta, ale tohle je rozhodně významný startovní krok.“