新冠之「冠」有文章:三角形尖刺更有利於傳播

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新冠病毒肆虐全球,就感染數量來說已經是數十年來最強力的傳染病毒。遠超一般病毒的強大傳播能力,一直是科學家研究的重點方向之一,對此,日本科學家有了新發現。

在沖繩科學技術研究生院(OIST)的數學、力學和材料部門內,博士後研究員Vikash Chaurasia博士和Eliot
Fried教授一直在使用能量最小化技術來研究生物顆粒上的帶電蛋白質。之前他們研究的是膽固醇分子,當新冠病毒大範圍傳播時,他們意識到用他們開發的方法有可能用於新病毒。他們與加拿大皇后大學的研究人員Mona Kanso和Jeffrey Giacomin教授合作,仔細觀察SARS-CoV-2,看看病毒的
“尖峰”(官方稱為peplomers)形狀如何幫助它成功地擴散。他們的研究最近發表在《流體物理學》上。

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一般的冠狀病毒示意圖

“當人們設想一個單一的冠狀病毒顆粒時,通常會想到一個球體,其表面分布著許多尖峰或更小的球體,”Chaurasia博士說。”這就是病毒最初的建模方式。但這個模型只是一個粗略的草圖,在過去的一年里,我們對病毒的樣子有了更多的了解。”

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每個冠狀病毒刺突都是糖蛋白三聚體,每個刺突鱗莖是三角形的。示意圖將每個球狀冠狀病毒尖峰替換為一個三重珠,其中每個三重珠均帶有相同的電荷。

圖源:沖繩科學技術研究生院

相反,Chaurasia博士指出,冠狀病毒顆粒的 “尖峰
“形狀實際上就像三個小球疊在一起,形成一個三角形。這是一個重要的考慮因素,因為病毒顆粒的形狀會影響其分散的能力。

為了理解這一點,想像一個球體在空間中移動,球會沿著一條曲線運動,但在運動的同時,它也會旋轉,球的旋轉速度稱為它的旋轉擴散性。一個SARS-CoV-2的顆粒以類似於這個球的方式運動,儘管它懸浮在液體中(特別是唾液的微小液滴)。粒子的旋轉擴散性會影響它與物體(如人的組織或細胞)的對準和附著的程度,這也是它能夠成功地在人與人之間迅速傳播的關鍵。較高的旋轉擴散性將意味著粒子在沿著軌跡運動時搖晃和抖動—因此更難附著在物體上,或更多的物體上反彈下來繼續在空氣中移動,而較低的旋轉擴散性則有相反的效果。

另一個考慮因素是每個尖峰的電荷。研究人員假設每個都是相同電荷。相同的電荷總是互相排斥的,所以如果一個粒子上只有兩個尖峰,而且它們的電荷相同,那麼它們就會位於粒子的兩端(儘可能地遠離對方)。隨著更多同等電荷的尖峰加入,它們就會均勻地分布在粒子表面。這為研究人員提供了一種幾何排列方式,他們可以從中計算出旋轉擴散性。

此前,研究人員研究了一種具有74個尖峰的病毒粒子。在這項新的研究中,他們使用了相同的粒子,但將單珠尖峰換成了三珠尖峰。當他們這樣做時,發現粒子的旋轉擴散性降低了39%。而且,發現這種趨勢隨著更多尖峰的加入而繼續。

這是一個重要的發現—擁有較低的旋轉擴散性意味著病毒顆粒可以更好地對準並附著在物體和人身上。因此,這項研究表明,三角形的尖峰為SARS-CoV-2的成功做出了貢獻。

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圖源:BBC

“我們知道實際情況這比這更複雜,”Chaurasia博士解釋說。”尖峰可能不是相同電荷。或者它們可能很靈活,能夠自我扭曲。另外,粒子的’身體’可能不是一個球體。所以,我們計劃在這個領域做更多的研究。”

這項研究還有一個有趣的特點是,它與一個多世紀前物理學家J.J.湯姆森提出的一個問題有關,他探討了給定數量的電荷將如何分布在一個球體上。”我發現一個100多年前考慮的問題對我們今天的情況有如此大的意義,這很吸引人,”Eliot
Fried教授說。”雖然這個問題最初主要是從好奇心和知識興趣的角度提出來的,但事實證明它的適用性出乎意料。這說明了為什麼我們不能忽視基礎研究的重要性。”

原文連結

https://aip.scitation.org/doi/10.1063/5.0048626

來源:kknews新冠之「冠」有文章:三角形尖刺更有利於傳播