La estructura del coronavirus es una imagen demasiado familiar, con sus receptores de superficie densamente empaquetados que se asemejan a una corona espinosa. Estas proteínas en forma de púas se adhieren a las células sanas y desencadenan la invasión del ARN viral. Mientras que la geometría y la infección del virusLa estrategia se entiende en general, se sabe poco sobre su integridad física.
Un nuevo estudio realizado por investigadores del Departamento de Ingeniería Mecánica del MIT sugiere que los coronavirus pueden ser vulnerables a las vibraciones del ultrasonido, dentro de las frecuencias utilizadas en las imágenes de diagnóstico médico.
A través de simulaciones por computadora, el equipo ha modelado la respuesta mecánica del virus a las vibraciones en un rango de frecuencias de ultrasonido. Descubrieron que las vibraciones entre 25 y 100 megahercios activaron la capa y los picos del virus para colapsar y comenzar a romperse en una fracción deun milisegundo. Este efecto se observó en simulaciones del virus en el aire y en el agua.
Los resultados son preliminares y se basan en datos limitados sobre las propiedades físicas del virus. Sin embargo, los investigadores dicen que sus hallazgos son un primer indicio de un posible tratamiento basado en ultrasonido para los coronavirus, incluido el nuevo virus SARS-CoV-2.Cómo exactamente se podría administrar el ultrasonido y qué tan efectivo sería para dañar el virus dentro de la complejidad del cuerpo humano, son algunas de las principales preguntas que los científicos tendrán que abordar en el futuro.
"Hemos demostrado que bajo la excitación por ultrasonido, la capa y los picos del coronavirus vibrarán, y la amplitud de esa vibración será muy grande, produciendo cepas que podrían romper ciertas partes del virus, causando daños visibles en la capa exterior y posiblementedaño invisible al ARN en el interior ", dice Tomasz Wierzbicki, profesor de mecánica aplicada en el MIT." La esperanza es que nuestro artículo inicie una discusión en varias disciplinas ".
Los resultados del equipo aparecen en línea en Revista de Mecánica y Física de Sólidos . Los coautores de Wierzbicki son Wei Li, Yuming Liu y Juner Zhu en el MIT.
una cáscara puntiaguda
A medida que la pandemia Covid-19 se apoderó de todo el mundo, Wierzbicki buscó contribuir a la comprensión científica del virus. El enfoque de su grupo está en la mecánica sólida y estructural, y el estudio de cómo los materiales se fracturan bajo diversas tensiones y tensiones.Desde esta perspectiva, se preguntó qué se podría aprender sobre el potencial de fractura del virus.
El equipo de Wierzbicki se propuso simular el nuevo coronavirus y su respuesta mecánica a las vibraciones. Utilizaron conceptos simples de la mecánica y la física de los sólidos para construir un modelo geométrico y computacional de la estructura del virus, que basaron en información limitada en elliteratura científica, como imágenes microscópicas del caparazón y los picos del virus.
A partir de estudios anteriores, los científicos han trazado la estructura general del coronavirus, una familia de virus que es el VIH, la influenza y la nueva cepa SARS-CoV-2. Esta estructura consiste en una capa lisa de proteínas lipídicas yreceptores densamente empaquetados en forma de púas que sobresalen de la cáscara.
Con esta geometría en mente, el equipo modeló el virus como una capa elástica delgada cubierta por unos 100 picos elásticos. Como las propiedades físicas exactas del virus son inciertas, los investigadores simularon el comportamiento de esta estructura simple en una variedad de elasticidades paratanto la cáscara como las púas.
"No conocemos las propiedades materiales de los picos porque son muy pequeños, de unos 10 nanómetros de altura", dice Wierzbicki. "Aún más desconocido es lo que hay dentro del virus, que no está vacío sino lleno de ARN, queen sí está rodeado por una capa de cápside de proteína. Por lo tanto, este modelo requiere muchas suposiciones ".
"Estamos seguros de que este modelo elástico es un buen punto de partida", dice Wierzbicki. "La pregunta es, ¿cuáles son las tensiones y tensiones que provocarán la ruptura del virus?".
Colapso de una corona
Para responder a esa pregunta, los investigadores introdujeron vibraciones acústicas en las simulaciones y observaron cómo las vibraciones ondulaban a través de la estructura del virus en un rango de frecuencias de ultrasonido.
El equipo comenzó con vibraciones de 100 megahercios, o 100 millones de ciclos por segundo, que estimaron sería la frecuencia de vibración natural de la cáscara, basándose en lo que se conoce de las propiedades físicas del virus.
Cuando expusieron el virus a excitaciones de ultrasonido de 100 MHz, las vibraciones naturales del virus fueron inicialmente indetectables. Pero en una fracción de milisegundo las vibraciones externas, resonando con la frecuencia de las oscilaciones naturales del virus, hicieron que la capa y los picos se dispararan.abrocharse hacia adentro, similar a una pelota que hace hoyuelos cuando rebota en el suelo.
A medida que los investigadores aumentaron la amplitud o intensidad de las vibraciones, la carcasa podría fracturarse, un fenómeno acústico conocido como resonancia que también explica cómo los cantantes de ópera pueden romper una copa de vino si cantan con el tono y el volumen adecuados.frecuencias más bajas de 25 MHz y 50 MHz, el virus se pandeó y se fracturó aún más rápido, tanto en ambientes simulados de aire como de agua que es similar en densidad a los fluidos en el cuerpo.
"Estas frecuencias e intensidades están dentro del rango que se usa de manera segura para la obtención de imágenes médicas", dice Wierzbicki.
Para perfeccionar y validar sus simulaciones, el equipo está trabajando con microbiólogos en España, que están utilizando microscopía de fuerza atómica para observar los efectos de las vibraciones del ultrasonido en un tipo de coronavirus que se encuentra exclusivamente en cerdos. Si se puede demostrar experimentalmente que el ultrasonido daña los coronavirus, incluido el SARS-CoV-2, y si se puede demostrar que este daño tiene un efecto terapéutico, el equipo prevé que el ultrasonido, que ya se usa para romper los cálculos renales y liberar medicamentos a través de los liposomas, podría aprovecharse para tratar y posiblementeprevenir la infección por coronavirus. Los investigadores también prevén que los transductores de ultrasonido en miniatura, instalados en teléfonos y otros dispositivos portátiles, podrían proteger a las personas del virus.
Wierzbicki enfatiza que hay mucha más investigación por hacer para confirmar si el ultrasonido puede ser un tratamiento efectivo y una estrategia de prevención contra los coronavirus. Mientras su equipo trabaja para mejorar las simulaciones existentes con nuevos datos experimentales, planea concentrarse en el tratamiento específicomecánica del nuevo virus SARS-CoV-2 de rápida mutación.
"Analizamos la familia general de coronavirus y ahora estamos analizando específicamente la morfología y geometría de Covid-19", dice Wierzbicki. "El potencial es algo que podría ser grande en la situación crítica actual".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de Massachusetts . Original escrito por Jennifer Chu. Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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