Olomouc (13. ledna 2022) – Lépe pochopit rozdílné vlastnosti a chování variant koronaviru delta a omikron umožňují 3D modely jejich proteinů, které vytvořil Karel Berka z katedry fyzikální chemie Přírodovědecké fakulty Univerzity Palackého v Olomouci. Na modelech u jednotlivých variant lze pozorovat rozdíly v mutacích na spike proteinu, což je hrot na povrchu viru hrající klíčovou roli v šíření tohoto vnitrobuněčného cizopasníka.
Strukturní modely spike proteinů variant koronaviru delta a omikron byly vytvořeny Karlem Berkou s pomocí serveru SwissModel. Jsou jedním z výsledků práce skupiny českých vědců, kteří od loňského jara průběžně sekvenují jednotlivé varianty viru SARS-CoV-2 v české populaci, jež průběžně reportují na serveru COVd. Od léta zde pozorovali pouze jednotlivé podlinie varianty delta, označované jako delta+ nebo AY.*. Zjištěné změny byly vesměs minimální a opakovaly se. Vědci se proto domnívali, že podzimní vlna nákazy variantou delta bude poslední, jelikož se zdálo, že SARS-CoV-2 zřejmě narazil na hranici svých možností. „Kolega to dokonce zhodnotil tak, že už začíná být vědecky nudný. Avšak den poté se objevila varianta omikron a najednou bylo všechno jinak,“ říká Karel Berka.
Když se objevila varianta omikron, vědci ihned zpozorněli. „V celkovém počtu mutací se mezi sebou obě varianty příliš neliší, mají jich přibližně 55. Čím se ale odlišují velmi, to je koncentrace těchto mutací na spike proteinu, pomocí kterého virus proniká do lidské buňky. Zatímco delta jich tam má zhruba šest, omikron přibližně 25. Navíc jsou koncentrovány na interakční ploše určené jak pro lidský ACE2 protein, na který se spike protein váže, tak i pro protilátky,“ popsal Karel Berka hlavní rozdíly mezi variantami delta a omikron, které ukázaly modely spike proteinů jednotlivých variant.
Mutace na spike proteinu omikronu tak už v listopady dávaly tušit jeho výrazně vyšší nakažlivost, a tedy i potenciál rychleji se šířit v lidské populaci. „Všiml jsem si, že mutace na špičce spike proteinu povedou ke zvýšení pozitivního náboje na tzv. receptor-binding domain (RBD), která se tak bude silněji vázat na převážně negativně nabitý lidský ACE2 protein. Zároveň se ale zeslabí vazba spike proteinu varianty omikron na stávající protilátky, což sníží jejich účinnost. Obě hypotézy byly následně potvrzeny i experimentálně. Tyto rozdíly v mutacích na spike proteinech jsou také zřejmě příčinou odlišného klinického obrazu nemoci covid-19 u variant delta a omikron,“ upozornil Berka.
Genom viru SARS-CoV-2 má zhruba 30 000 nukleotidů, které kódují přibližně 25 proteinů a peptidů. „Dnes již máme k dispozici experimentální struktury od většiny z nich, takže není složité namodelovat pomocí homologního modelování jejich mutanty. Při porovnávání variant jsem sledoval především vliv mutací na spike protein. Modelování probíhalo na serveru SwissModel a využil jsem při něm experimentální struktury v tzv. otevřeném stavu, ve kterém se váží na lidský ACE2 protein, který je hlavním cílem obou variant koronavirových nákaz,“ dodal Karel Berka.
Strukturní modely se používají k pochopení biologických dějů už delší dobu. 3D vizualizace totiž vědcům pomáhají mechanicky popsat interakce mezi jednotlivými proteiny. „Ukazují nám, jaké mechanismy buňky používají,“ uvedl Berka.
Například v roce 2012 vědecký tým Karr a kolektiv poprvé matematicky nasimuloval všechny procesy v nejmenší buňce bakterie Mycoplasma genitarium. Loni pak tým Maritan a kolektiv zkonstruoval virtuální 3D model této buňky, který ukazuje, jak ty procesy mezi jednotlivými proteiny a nukleovými kyselinami vypadají. S jejich pomocí se podařilo navrhnout nové experimenty, které odhalily a potvrdily nové biologické funkce a ukázaly, že tato nová virtuální buněčná biologie může ulehčit hledání nových biologických objevů.
„K vizualizaci modelu buňky bakterie Mycoplasma genitarium využili autoři program Mol*, který jsme společně s kolegy z brněnského výzkumného pracoviště CEITEC a zahraničí pomáhali vyvíjet i my s kolegou Václavem Bazgierem. Tento program je totiž jako jediný schopen model celé buňky zobrazit v atomárním rozlišení v prohlížeči v reálném čase,“ dodal Karel Berka.
Kontakty:
doc. RNDr. Karel Berka, Ph.D. | katedra fyzikální chemie
Přírodovědecká fakulta Univerzity Palackého
E: karel.berka@upol.cz | T: 585 634 769