日本科学家发现冠状病毒快速传播的关键:三角形尖峰

2021年04月16日 21:27 次阅读 稿源:cnBeta.COM 条评论

COVID-19无需介绍。去年,这种由SARS-CoV-2病毒引起的疾病传遍了全球各大洲。截至2021年3月底,估计已有1.28亿例病例记录,其中近300万例是致命的。在科学家们竞相开发疫苗、政客们协调疫苗分配的同时,关于这种病毒为何如此成功的基础研究也在进行。

Coronavirus-Particle-Conventional.jpg

在冲绳科学技术研究生院(OIST)的数学、力学和材料部门内,博士后研究员Vikash Chaurasia博士和Eliot Fried教授一直在使用能量最小化技术来研究生物颗粒上的带电蛋白质。之前他们研究的是胆固醇分子,但当大流行病来袭时,他们意识到用他们开发的方法可以应用于新病毒。他们与加拿大皇后大学的研究人员Mona Kanso和Jeffrey Giacomin教授合作,仔细观察SARS-CoV-2,看看病毒的 "尖峰"(官方称为peplomers)形状如何帮助它成功地到处传播,他们的研究最近发表在《流体物理学》上。

"当人们设想一个单一的冠状病毒颗粒时,通常会想到一个球体,其表面分布着许多尖峰或更小的球体,"Chaurasia博士说。"这就是病毒最初的建模方式。但这个模型只是一个粗略的草图,在过去的一年里,我们对病毒的样子有了更多的了解。"Chaurasia博士指出,冠状病毒颗粒的 "尖峰"形状实际上就像三个小球叠在一起,形成一个三角形。这是一个重要的考虑因素,因为病毒颗粒的形状会影响其传播的能力。

Coronavirus-Particle-With-Triangular-Shaped-Spikes.jpg

更准确的图像显示,冠状病毒颗粒具有三角形的尖峰。来自OIST和女王大学的科学家发现,这可能有助于冠状病毒成功在人与人之间传播。

为了理解这一点,想象一个球在空间中移动。球会沿着一条曲线运动,但在运动的同时,它也会旋转。球的旋转速度称为它的旋转扩散性。一个SARS-CoV-2的颗粒以类似于这个球的方式运动,尽管它悬浮在液体中(特别是唾液的微小液滴)。粒子的旋转扩散性会影响它与物体(如人的组织或细胞)的对准和附着的程度,这也是它能够成功地在人与人之间迅速传播的关键所在。较高的旋转扩散性将意味着粒子在遵循轨迹时摇晃和抖动--因此可能难以附着在物体上或有效地从物体上反弹下来继续在空气中移动。而较低的旋转扩散性则有相反的效果。

另一个考虑因素是每个尖峰的电荷。研究人员假设每个都是同等电荷。相同的电荷总是互相排斥的,所以如果一个粒子上只有两个尖峰,而且它们的电荷相等,那么它们就会位于其中一个极点(尽可能地远离对方)。随着更多同等电荷的尖峰加入,它们就会均匀地分布在球体表面。这为研究人员提供了一种几何排列方式,他们可以从中计算出旋转扩散性。

此前,研究人员研究了一种具有74个尖峰的病毒粒子。在这项新的研究中,他们使用了相同的粒子,但将单珠尖峰换成了三珠三角形。当他们这样做时,发现粒子的旋转扩散性降低了39%。而且,发现这种趋势随着更多尖峰的加入而继续。

这是一个重要的发现--拥有较低的旋转扩散性意味着病毒颗粒可以更好地对准并附着在物体和人身上。因此,这项研究表明,三角形形状的尖峰为SARS-CoV-2的成功做出了贡献。

"我们知道这比这更复杂,"Chaurasia博士解释说。"尖峰可能不是同等电荷。或者它们可能很灵活,能够自我扭曲。另外,粒子的'身体'可能不是一个球体。所以,我们计划在这方面做更多的研究。"

这项研究还有一个有趣的特点是,它与一个多世纪前物理学家J.J.汤姆森提出的一个问题有关,他探讨了设定数量的电荷将如何分布在一个球体上。

"我发现一个100多年前考虑的问题对我们今天的情况有如此大的意义,这很吸引人,"Eliot Fried教授说。"虽然这个问题最初主要是从好奇心和知识兴趣的角度提出来的,但事实证明它的适用性出乎意料。这说明了为什么我们不能忽视基础研究的重要性。"

OIST和皇后大学的科学家们打算继续合作开展此类研究,为SARS-CoV-2的成功提供启示。皇后大学的研究人员刚刚获得了Mitacs Globalink研究奖,使主要作者Mona Kanso能够往返于加拿大和日本之间,与OIST进行更密切的合作。

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