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La estructura del coronavirus es una imagen demasiado familiar, con sus receptores de superficie densamente llenos que se asemejan a una corona espinosa. Estas proteínas en forma de pico se adhieren a las células sanas y desencadenan la invasión del ARN viral. Si bien en general se comprende la geometría y la estrategia de infección del virus, 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 ultrasónicas, en las frecuencias utilizadas en las imágenes de diagnóstico médico.
Usando simulaciones por computadora, el equipo modeló la respuesta mecánica del virus a la vibración en un rango de frecuencias ultrasónicas. Descubrieron que las vibraciones entre 25 y 100 megahercios provocaron el colapso del caparazón y los picos del virus y comenzaron a romperse en una fracción de milisegundo. Este efecto se observó en simulaciones del virus en aire y agua.
Los resultados son preliminares y se basan en datos limitados sobre las propiedades físicas del virus. No obstante, los investigadores dicen que sus hallazgos son una primera pista de un posible tratamiento con ultrasonido para los coronavirus, incluido el nuevo virus SARS-CoV-2. La forma exacta en que se podría administrar el ultrasonido y su eficacia para dañar el virus en la complejidad del cuerpo humano se encuentran entre las principales preguntas que los científicos deberán abordar en el futuro.
"Hemos demostrado que bajo excitación ultrasónica, la capa y las puntas del coronavirus vibrarán, y la amplitud de esta vibración será muy grande, produciendo cepas que podrían descomponer partes del virus, causando daños visibles en la capa exterior. Y posiblemente daño invisible. dentro del ARN ”, 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 online en el Revista de Mecánica y Física de Sólidos. Los coautores de Wierzbicki son Wei Li, Yuming Liu y Juner Zhu del MIT.
Una cáscara puntiaguda
A medida que la pandemia de Covid-19 se ha apoderado de todo el mundo, Wierzbicki ha tratado de contribuir a la comprensión científica del virus. Su grupo se centra en la mecánica de sólidos y estructuras y el estudio de la fractura de materiales bajo diversas tensiones y deformaciones. Con esto en mente, se pregunta qué se puede aprender sobre el potencial de fractura del virus.
El equipo de Wierzbicki se propuso simular el nuevo coronavirus y su respuesta mecánica a la vibración. Utilizaron conceptos simples de la mecánica sólida y la física para construir un modelo geométrico y computacional de la estructura del virus, que basaron en información limitada en la literatura científica, como imágenes microscópicas del caparazón y picos del virus.
A partir de estudios anteriores, los científicos han mapeado la estructura general del coronavirus, una familia de virus que son el VIH, la influenza y la nueva cepa SARS-CoV-2. Esta estructura consta de una capa lisa de proteínas lipídicas y receptores en forma de picos densamente empaquetados que sobresalen de la capa.
Con esa geometría en mente, el equipo modeló el virus como una capa elástica delgada cubierta con alrededor de 100 picos elásticos. Dado que las propiedades físicas exactas del virus son inciertas, los investigadores simularon el comportamiento de esta estructura simple en un rango de elasticidades para el caparazón y las puntas.
“No conocemos las propiedades materiales de las puntas porque son muy pequeñas, alrededor de 10 nanómetros de altura”, dice Wierzbicki. “Lo que es aún más desconocido es lo que hay dentro del virus, que no está vacío sino lleno de ARN, rodeado por una capa de proteína de la cápside. Por tanto, este modelo requiere muchos supuestos. "
“Estamos convencidos de que este modelo elástico es un buen punto de partida”, dice Wierzbicki. "La pregunta es, ¿cuáles son las tensiones y tensiones que harán que el virus se descomponga?"
El colapso de una corona
Para responder a esta 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 ultrasónicas.
El equipo comenzó con vibraciones de 100 megahercios, o 100 millones de ciclos por segundo, que estimaron que era la frecuencia natural de vibración de la cáscara, basándose en lo que se conoce sobre las propiedades físicas del virus.
Cuando expusieron el virus a excitaciones ultrasónicas 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 el caparazón se deformara y se disparara hacia adentro, como una bala con hoyuelos cuando rebota en el suelo.
A medida que los investigadores aumentaron la amplitud o intensidad de las vibraciones, el caparazón 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. A frecuencias inferiores a 25 MHz y 50 MHz, el virus se deforma y se fractura aún más rápido, tanto en entornos de aire como de agua simulados con alta densidad similar a la de los fluidos corporales.
"Estas frecuencias e intensidades están dentro del rango que se utiliza de forma segura para la obtención de imágenes médicas", dice Wierzbicki.
Para perfeccionar y validar sus simulaciones, el equipo está trabajando con microbiólogos en España, que utilizan microscopía de fuerza atómica para observar los efectos de las vibraciones ultrasónicas en un tipo de coronavirus que se encuentra exclusivamente en los cerdos. Si se ha demostrado experimentalmente que el ultrasonido daña los coronavirus, incluido el SARS-CoV-2, y si este daño puede tener un efecto terapéutico, el equipo está considerando este ultrasonido, que ya está en uso. Para descomponer los cálculos renales y liberar medicamentos a través de los liposomas. , podría aprovecharse para tratar y posiblemente prevenir la infección por coronavirus. Los investigadores también prevén que los transductores de ultrasonido en miniatura, integrados en teléfonos y otros dispositivos portátiles, podrían proteger a las personas del virus.
Wierzbicki señala que hay mucha más investigación por hacer para confirmar si el ultrasonido puede ser un tratamiento eficaz y una estrategia de prevención del coronavirus. Mientras su equipo trabaja para mejorar las simulaciones existentes con nuevos datos experimentales, planea centrarse en los mecanismos específicos del nuevo virus SARS-CoV-2 que muta rápidamente.
“Hemos analizado 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 grandioso en la crítica situación actual".
