Imágenes en exclusiva del Coronavirus SARS-CoV-2

La empresa Nanographics ha conseguido desvelar el rostro del causante de la pandemia mundial, el Coronavirus SARS-CoV-2,  participando en un proyecto de creación del modelo más preciso de un virión SARS-CoV-2 con resolución atómica, en colaboración con KAUST , Scripps Research y TU Wien . Dicho modelo puede ayudar a los investigadores en su esfuerzo por comprender cómo funciona el virus, de modo que puedan encontrar formas de combatirlo. Su contribución a ese proyecto fue proporcionar una canalización de renderizado en tiempo real para visualizar el modelo de la manera más informativa.

Animación en tiempo real de la estructura del virus.

Usamos Nanographics Vj, nuestro software de animación y visualización molecular en tiempo real, para crear este video que muestra la estructura del virus. En el video, puede ver la última teoría sobre cómo se organiza el ARN dentro de la partícula del virus.

¿Cómo actúa el SARS-CoV-2?

imagen real Coronavirus SARS-CoV-2 Un virus puede existir en dos formas diferentes: ya sea como una partícula de virus, llamada virión, o dentro de una célula huésped, donde utiliza los mecanismos de la célula para replicarse. Las imágenes con las que estamos familiarizados por los medios, y también nuestras visualizaciones, son del virión.

Los viriones no tienen ningún medio para moverse. Dependen únicamente del medio ambiente para empujarlos hasta que se topan con una célula que pueden infectar. En el caso de los coronavirus, esto suele ocurrir cuando una persona infectada tose, estornuda o habla, y pequeñas gotas de saliva que contienen viriones se esparcen por la boca o la nariz. Si esas gotitas terminan en la cara de otra persona, el virus podría tener la oportunidad de ingresar a su cuerpo e infectar algunas de sus células.

La superficie del virión está cubierta por una bicapa lipídica , una membrana grasa que el virus arrancó de la célula infectada cuando estaba encontrando su salida. Esta membrana se puede romper fácilmente con jabón. Es por eso que lavarse bien las manos con jabón es eficaz para prevenir la propagación de COVID-19, la enfermedad causada por el virus SARS-CoV-2.

Incrustadas en la membrana hay varias proteínas. En el caso del SARS-CoV-2, estos son:

  • Proteína de pico : las moléculas de esta proteína son los picos típicos que se ven en muchas imágenes de coronavirus, que también le dan su nombre al coronavirus. El virus usa la proteína de pico para encontrar células que pueda infectar y adherirse a ellas. En el SARS-CoV-2, esta proteína se une a ACE2 , un receptor que se encuentra en las membranas de las células de los pulmones, las arterias, los riñones y los intestinos. Después de unirse al receptor ACE2, la espiga cambia de forma o conformación y la membrana viral se fusiona con la de la célula atacada. Esto hace que el material genético del virión, que está encerrado dentro de la membrana viral, se inyecte en la célula.
  • Proteína de la envoltura : esta proteína ayuda en el proceso de gemación a medida que se forman nuevos virus. En este proceso, el virus forma parte de la membrana lipídica de una célula huésped y la utiliza para crear su propia envoltura. Solo quedan unas pocas de las moléculas de proteína de la envoltura en el virus de la infección maduro.
  • Proteína de membrana : esta proteína empaqueta el genoma viral dentro del virión. Esta es la proteína más numerosa en la membrana viral del SARS-CoV-2.

Dentro de la envoltura viral, está la información genética del virus. La información genética está codificada en ARN monocatenario , que está estructurado y protegido por muchas copias de la proteína de la nucleocápside .

Un virus no puede replicarse a sí mismo. En cambio, secuestra el mecanismo de replicación de la célula huésped. Una vez que el virus se adhiere a la célula e inyecta su ARN en ella, la maquinaria de la célula se ve obligada a producir componentes individuales a partir de los cuales se forman nuevas copias del virus. Estos componentes son las proteínas virales codificadas por el ARN del virus. Una sola célula puede producir miles de viriones, que luego salen a través de un sistema de transporte de la célula y se desvían hasta que golpean otra célula que pueden infectar.

Fabricación del modelo SARS-CoV-2

El objetivo de este proyecto no era solo crear un modelo atomístico preciso de la partícula de coronavirus, incluido su interior, sino también hacerlo de manera que el modelo se pueda actualizar fácilmente. La frecuencia con la que se descubren nuevos conocimientos nos hizo elegir enfoques algorítmicos en lugar del modelado manual tradicional. De esta manera, nuestro modelo está más calculado que hecho a mano, y al cambiar los parámetros de entrada, podemos actualizarlo para reflejar las últimas teorías y descubrimientos hechos por biólogos.

Los datos de entrada

foto Coronavirus SARS-CoV-2

No se puede ver exactamente de qué está hecho un virión en ningún microscopio. Los microscopios nos muestran la forma general del virión, pero la composición molecular exacta debe determinarse mediante varias otras técnicas. Una vez que los biólogos averiguan de qué moléculas está compuesto el virión, cómo se ven estas moléculas y cómo están organizadas, podemos utilizar algoritmos informáticos para crear un modelo 3D que corresponda a todos los hallazgos que han descubierto los biólogos.

La construcción de dicho modelo generalmente comienza con la definición de la forma general. Los microscopios electrónicos solo pueden mostrarnos imágenes de secciones transversales de partículas de virus individuales. Estos contornos pueden darnos una idea bastante clara de cómo se ve el virión en 3D. Una vez que construimos el modelo 3D de la forma general usando métodos estadísticos basados ​​en las imágenes de microscopía electrónica, podemos poblarlo con muchas copias de modelos de las moléculas individuales que componen el virus.

Podemos obtener los modelos de proteínas de PDB , una base de datos de modelos atómicos de proteínas y otras moléculas orgánicas. Describen las posiciones de los átomos individuales, a partir de los cuales se compone la molécula de la proteína dada. Sin embargo, todavía no había modelos disponibles para las proteínas del SARS-CoV-2, por lo que los biólogos tuvieron que prepararlos para nosotros de acuerdo con sus investigaciones más recientes.

Modelado

El primer paso para crear el modelo es poblar la superficie del casco 3D del virión con la bicapa lipídica. Para ello, desarrollamos un algoritmo que lo hace automáticamente para cualquier forma que queramos. Puede leer un artículo que describe la técnica.

De manera similar, el ARN almacenado dentro del virión se genera con un algoritmo de procedimiento, por lo que no tenemos que modelar a mano. La técnica utilizada aquí se basa en nuestra investigación sobre cómo generar moléculas como ARN muy rápidamente en la GPU. 

La investigación sobre la composición molecular del SARS-CoV-2 aún está en curso. En general, al construir modelos como este, siempre podemos incorporar el conocimiento actual en biología, que puede cambiar con cada nuevo descubrimiento o experimento. Por lo tanto, este modelo se construye utilizando un enfoque de modelado estadístico, que describimos en este documento . Con este enfoque, varias moléculas de las proteínas se colocan en la escena, reflejando sus relaciones y posiciones mutuas. Junto con la información sobre el número de moléculas de proteínas individuales que deberían estar presentes en la partícula del virus, un algoritmo basado en reglas llena toda la escena con las proteínas.

Este enfoque, a diferencia del modelado 3D tradicional, nos permite adaptar fácilmente el modelo a cualquier descubrimiento nuevo que pueda tener el biólogo. Nuestro canal de renderizado puede mostrar inmediatamente el virión en alta resolución. De esta forma, podemos apoyar a los científicos en la generación de hipótesis sobre el virus, ya que podemos reflejar sus hallazgos en nuestro modelo en muy poco tiempo.

Colores

Una partícula de virus es muy pequeña: un virión del SARS-CoV-2 tiene entre 50 y 150 nm de diámetro. Si colocas 1000 de ellos uno al lado del otro, serían tan gruesos como un solo cabello. O puede imaginarlo de esta manera: digamos que hay un solo virión en su palma. Ahora, si el virión fuera del tamaño de una canica, su mano tendría 15 km de diámetro.

Un virión es más pequeño que la longitud de onda de la luz visible, por lo que nunca podemos verlo, ni siquiera con el microscopio óptico más potente. Podemos verlo en un microscopio electrónico, porque los microscopios electrónicos no funcionan con luz, sino con electrones, que tienen longitudes de onda mucho más pequeñas. Las imágenes que vemos del virus son creadas por una computadora, que asigna colores a las partes individuales de la imagen. Estos colores no reflejan cómo se ve realmente el virus. Dado que es más pequeño que las longitudes de onda más cortas de la luz visible, podemos decir que una sola partícula de virus no tiene ningún color.

Al igual que el software de microscopía electrónica que elige los colores para producir las micrografías, al crear visualizaciones, tenemos que elegir los colores para las moléculas individuales. No existe una forma estándar de colorear proteínas y otras moléculas que se encuentran en virus, células o microorganismos. Es por eso que las diferentes visualizaciones utilizan diferentes esquemas de color.

Si bien el software de microscopio electrónico generalmente usa tonos de gris, decidimos usar colores más vivos para resaltar ciertas partes del virión. Elegimos el esquema general de colores fríos para sugerir que el virus posiblemente no es un ser vivo, sino más bien una máquina molecular. A pesar de la combinación de colores fríos, hicimos que el ARN fuera de color rojo brillante, ya que esta es la molécula que transporta la información necesaria para replicar el virus y, por lo tanto, puede verse como su parte más importante, la parte más viva de esta máquina molecular parasitaria. También hicimos que las proteínas de las espigas fueran brillantes y vívidas, ya que esas son las moléculas que unen activamente el virus a las células huésped. Estas son las proteínas que podrían ser potencialmente afectadas por vacunas o medicamentos antivirales. Por otro lado, elegimos el color de la membrana lipídica como tonalidad fría y apagada,

También utilizamos la profundidad de campo . Este es un efecto de las lentes ópticas donde solo una parte de la imagen capturada está enfocada. En los gráficos por computadora, las imágenes se pueden crear perfectamente nítidas, pero decidimos aplicar una profundidad de campo artificial para que podamos orientar la atención a diferentes partes del virión. Como la partícula de virus modelada en resolución atómica es bastante compleja, encontramos que esta es una herramienta útil para contar historias.