В недавнем исследовании журнала BioTech исследуются термодинамические свойства, такие как скорость связывания антиген -рецептор и энергия Гиббса связывания, подварианта BA.2.75 коронавируса тяжелого острого респираторного синдрома 2 (SARS-CoV-2) Omicron, чтобы понять его повышенную трансмиссивность.

Исследование:  ожидается, что Omicron BA.2.75 подвариант SARS-CoV-2 будет обладать наибольшей инфекционностью по сравнению с конкурирующими BA.2 и BA.5 из-за наибольшей отрицательной энергии связывания Гиббса. Изображение предоставлено: Фирн / Shutterstock.com

Фон

Микроорганизмы представляют собой открытые термодинамические системы, осуществляющие биологические, химические и физические взаимодействия с окружающей средой. Предыдущие исследования термодинамики этих взаимодействий изучали движущую силу роста микроорганизмов и калориметрические параллели между законами термодинамики и биологической эволюции. Кроме того, также были изучены термодинамические свойства вирусов, таких как вирусы оспы обезьян и коровьей оспы.

Рибонуклеиновая кислота (РНК) SARS-CoV-2 мутировала с образованием вариантов с различной инфекционностью и свойствами уклонения от иммунитета. SARS-CoV-2 заражает клетку-хозяина, связывая тример шиповидного белка с рецептором ангиотензинпревращающего фермента 2 (АПФ-2).

Повышенную инфекционность некоторых вариантов SARS-CoV-2 можно объяснить усилением связывания шиповидного белка с рецептором ACE-2. Таким образом, скорость связывания рецептора и свободная энергия связывания Гиббса могут сравниваться между вариантами для оценки инфекционности.

Об исследовании

В настоящем исследовании использовалась существующая литература для получения констант равновесия диссоциации, а также констант скорости ассоциации и диссоциации для рецептора ACE-2 к шиповому белку различных вариантов SARS-CoV-2.

Энергию связывания Гиббса рассчитывали с использованием константы равновесия диссоциации, которую затем использовали для расчета скорости связывания шиповидного белка с рецептором ACE-2 для каждого из вариантов SARS-CoV-2. Кинетический, экспоненциальный и термодинамический подходы использовались для определения скорости проникновения вариантов SARS-CoV-2.

Solgar, пиколинат цинка, 100 таблеток

Кинетический подход основан на законе действующих масс и использует константы скорости ассоциации и диссоциации, тогда как экспоненциальный подход использует экспоненциальное уравнение, основанное на неравновесной термодинамике. Термодинамический подход использует связывающее феноменологическое уравнение.

Результаты исследования

Энергия Гиббса связывания омикронного субварианта SARS-CoV-2 BA.2.75 составила -49,41 кДж/моль, а энергия Гиббса -45,81 кДж/моль и -44,95 кДж/моль для BA.4 и BA.5 соответственно.

Вариант BA.2.75, несущий мутацию N460K, также имел самую высокую скорость входа 1,49 × 10–15 М / с по сравнению с вариантами BA.2 и BA.5, которые имели скорости 6,58 × 10–17 М /с и 1,19 × 10 — 17 М/с соответственно. Скорость связывания вариантов SARS-CoV-2 Omicron увеличилась с BA.2 до BA.5.

Распространение SARS-CoV-2 зависит от его инфекционности и патогенности. Инфекционность определяется скоростью проникновения вируса в восприимчивые клетки, тогда как патогенность отражает скорость размножения вируса в клетке-хозяине.

Проникновение SARS-CoV-2 зависит от взаимодействия между его шиповидным белком и рецептором ACE-2 хозяина, что определяется энергией связывания Гиббса. Мутации в шиповидном белке изменяют взаимодействие между антигеном и рецептором, тем самым изменяя некоторые термодинамические свойства, такие как равновесие диссоциации и константы скорости.

Более высокая скорость проникновения и энергия Гиббса связывания для подварианта Омикрон BA.2.75, вероятно, объясняют большую инфекционность BA.2.75 по сравнению с другими доминирующими подвариантами BA.4 и BA.5. Более того, эти характеристики могут также указывать на то, что BA.2.75 может быть следующим глобально доминирующим подвариантом Omicron SARS-CoV-2.

Мутации S446G и N460K в BA.2.75 усиливают его свойства уклонения от нейтрализации. Уклонение от иммунитета, вероятно, дает подвариантам преимущество в установлении глобального доминирования за счет увеличения трансмиссивности.

Однако результаты исследования показывают, что само по себе уклонение от иммунитета не является причиной повышенной инфекционности. Фактически, более высокая энергия Гиббса связывания и скорость проникновения, по-видимому, также улучшают инфекционность подварианта за счет увеличения скорости связывания шиповидного белка и рецептора ACE-2.

С начала пандемии коронавирусной болезни 2019 (COVID-19) появилось несколько вариантов и подвариантов SARS-CoV-2 с мутациями, которые усиливают связывание антигена и ускользание от иммунного ответа. Кроме того, новые вирусные варианты конкурировали с существующими доминирующими вариантами, причем некоторым удалось заменить старый вариант и добиться глобального господства.

Мутации в возникающих вариантах SARS-CoV-2 изменяют термодинамические свойства связывания антигена, поскольку они приводят к химическим изменениям в структуре белка. Термодинамические параметры, такие как энергия связывания Гиббса и скорость проникновения, могут быть индикаторами повышенной инфекционности. Таким образом, эта информация может помочь предсказать потенциальное доминирование нового варианта.

Выводы

Результаты исследования показывают, что более высокая энергия связывания Гиббса и более высокая скорость проникновения подварианта омикрон SARS-CoV-2 BA.2.75 ответственны за его повышенную инфекционность и предсказывают его потенциальное глобальное доминирование в ближайшем будущем.