Mira al coronavirus en una gota minúscula

A fin de entender mejor el viaje que hace el coronavirus de una persona a la otra, un equipo de 50 científicos creó por primera vez una simulación atómica del coronavirus dentro de una diminuta gota de agua transportada por el aire.

Para crear el modelo, los investigadores requirieron una de las supercomputadoras más grandes del mundo para juntar 1300 millones de átomos y rastrear todos sus movimientos en menos de una millonésima de segundo. Esta hazaña computacional está ofreciendo un vistazo sin precedentes a la manera en que el virus sobrevive al aire libre mientras se propaga a un nuevo huésped.

“Nunca se había puesto un virus en una gota de agua”, comentó Rommie Amaro, una bióloga de la Universidad de California, campus San Diego, que encabezó la labor y cuyos resultados fueron develados el mes pasado en el Congreso Internacional de Informática de Alto Rendimiento, Redes, Almacenamiento y Análisis. “De verdad no hay nadie que haya visto esto”.

Microgotas y aerosoles

Al inicio de la pandemia se suscitó un feroz debate sobre el modo en que el coronavirus se propaga a través del aire. Muchos científicos defendieron la idea tradicional de que la mayoría de la transmisión viral era posible por medio de las gotas más grandes, a menudo producto de estornudos y toses. Estas microgotas suelen viajar tan solo unos pocos metros antes de caer al suelo.

Sin embargo, los estudios epidemiológicos demostraron que la gente con COVID-19 podía infectar a otras personas a una distancia mucho mayor: tan solo hablar sin mascarilla en un espacio mal ventilado como un bar, una iglesia o un salón de clases bastaba para propagar el virus.

Esos hallazgos apuntaron a gotas mucho más pequeñas, llamadas aerosoles, como vehículos importantes de infección. Según los científicos, el diámetro de las microgotas es mayor a 100 micras, más o menos 0,1 milímetros. Los aerosoles son más pequeños, en algunos casos tan pequeños que tan solo pueden albergar un solo virus. Y gracias a su tamaño minúsculo, los aerosoles pueden viajar en el aire durante horas.

Sin embargo, los virus no pueden sobrevivir para siempre dentro de los aerosoles. Los investigadores a menudo encuentran que los virus recolectados en el aire se han dañado tanto que ya no son capaces de infectar células. Es posible que los aerosoles se evaporen y el aire destruya la estructura molecular del virus. O la química interior de la gota diminuta puede ser demasiado hostil como para que sobrevivan.

“En este momento, no entendemos cómo sucede eso”, comentó Linsey Marr, una profesora de Ingeniería Civil y Ambiental en el Instituto Politécnico y Universidad Estatal de Virginia que no estuvo involucrada en el nuevo estudio. Todavía no se inventan los microscopios que puedan capturar imágenes detalladas del interior de un aerosol cargado de virus.

En marzo de 2020, Amaro y sus colegas decidieron que la mejor manera de abrir esta caja negra era crear su propio aerosol cargado de virus.

Los investigadores comenzaron creando un modelo del coronavirus, conocido como SARS-CoV-2, a partir de 300 millones de átomos virtuales. Combinaron miles de moléculas de ácidos grasos en el cuerpo de una membrana, luego alojaron cientos de proteínas al interior.

Algunas de estas proteínas son importantes porque mantienen la membrana del virus intacta. Otras, llamadas proteínas de la espícula o de espiga, forman estructuras parecidas a una flor que se elevan bastante por encima de la superficie del virus. Las puntas de las espículas a veces se sacuden y se abren de manera espontánea, lo cual permite que el virus se prenda de una célula huésped y la invada.

La construcción de un aerosol

Después de fabricar su virus, Amaro y sus colegas produjeron un aerosol en el que introducirlo. Con 1000 millones de átomos, crearon un aerosol virtual que medía de diámetro una cuarta parte de una micra, menos de una centésima parte del ancho de un pelo humano.

Sin embargo, los investigadores no podían simular el aerosol como una gota de agua pura. Cuando se libera un aerosol del fluido de nuestros pulmones, lleva consigo un caldo de otras moléculas de nuestro cuerpo.

Dicho caldo incluye mucinas: proteínas largas salpicadas de azúcares que provienen del revestimiento mucoso del pulmón. Los aerosoles también transportan líquido pulmonar profundo y tensioactivos que evitan que las delicadas ramas de nuestras vías respiratorias se peguen entre sí.

Una vez que introdujeron el virus dentro de un aerosol, los científicos enfrentaron el mayor desafío del proyecto: animar la gota. Amaro y sus colegas calcularon las fuerzas que actuaban en todo el aerosol, tomando en cuenta las colisiones entre los átomos, así como el campo eléctrico que creaban sus cargas. Determinaron dónde iba a estar cada átomo cuatro millonésimas de una milmillonésima de segundo más tarde.

Para realizar este inmenso conjunto de cálculos, los investigadores tuvieron que recurrir a la supercomputadora Summit en el Laboratorio Nacional Oak Ridge en Tennessee, la segunda supercomputadora más poderosa del mundo. Debido a que la máquina estaba muy demandada, tan solo pudieron realizar sus simulaciones unas cuantas veces. “Tenemos tan solo muy pocos intentos para ver si de verdad podemos lograr que esta cosa sí vuele”, comentó Amaro.

El primer intento fue un desastre. Las fallas diminutas en su modelo provocaron que los átomos virtuales chocaran entre sí y el aerosol se destruyó en un instante. “En esencia, explota”, dijo Amaro.

Después de media docena de rondas de ajustes, el aerosol se volvió estable. Los investigadores volvieron a hacer los cálculos para ver qué sucedía al interior del aerosol un instante después. En total, crearon millones de tomas de una película que captó la actividad del aerosol durante diez milmillonésimas de segundo.

“Aunque el modelado molecular no es nuevo, la escala de este modelo es de otro nivel”, opinó Brian O’Flynn, un investigador posdoctoral del Hospital de Investigación Infantil St. Jude que no estuvo involucrado en el estudio.

La actividad frenética que observaron Amaro y sus colegas ofreció pistas sobre cómo sobreviven los virus dentro de los aerosoles. Por ejemplo, las mucinas no solo deambulaban improductivamente por el aerosol. Las mucinas con carga negativa eran atraídas a las proteínas de la espícula con carga positiva. Los átomos cargados, como el calcio, vuelan alrededor de la microgota y ejercen fuerzas poderosas sobre las moléculas que se encuentran en el camino.

Amaro especuló que las mucinas actúan como un escudo. Si el virus se acerca demasiado a la superficie del aerosol, las mucinas lo regresan adentro, para que no se exponga al aire mortal.

“Creemos que se está cubriendo con estas mucinas que actúan como un revestimiento protector mientras vuela”, comentó Amaro.

Delta y ómicron

Este descubrimiento podría ayudar a explicar cómo se diseminó tanto la variante delta. Sus proteínas de la espícula tienen una carga más positiva que las de las primeras formas del coronavirus. Como resultado, las mucinas se congregan más alrededor de ellas. Esa atracción podría lograr que las mucinas sean un mejor escudo.

De vez en cuando, uno de los coronavirus simulados abría una proteína de espícula, sorprendiendo a los científicos. “La variante delta se abre con mucha más facilidad que la cepa original que habíamos simulado”, dijo Amaro.

Una vez que el coronavirus entra en la nariz o los pulmones de alguien, la amplia apertura de la espícula de la variante delta puede hacer que infecte mejor una célula. Pero Amaro sospecha que es malo para un coronavirus abrir una proteína de espícula cuando todavía está dentro de un aerosol, quizás a horas de infectar a un nuevo huésped. “Si se abre demasiado pronto, podría deshacerse”, dijo Amaro.

Algunas de las moléculas que abundan en el interior de los aerosoles pueden ser capaces de mantener la espícula cerrada durante el trayecto, dijo. Ciertos tensioactivos pulmonares pueden encajar en un bolsillo de la superficie de la proteína espícula, impidiendo que se abra.

Para poner a prueba esa idea y explorar otras, Amaro y sus colegas están alargando el marco temporal de su simulación cien veces, desde 10 milmillonésimas de segundo hasta una millonésima de segundo. También investigarán cómo la acidez dentro de un aerosol y la humedad del aire que lo rodea pueden cambiar el virus.

Amaro y sus colegas están haciendo planes para crear una variante ómicron y observar cómo se comporta en un aerosol. Quieren esperar a que los biólogos estructurales entiendan la forma tridimensional de sus proteínas de la espícula antes de empezar. Sin embargo, tan solo con ver los primeros hallazgos sobre la ómicron, Amaro ya percibe una característica importante: “Tiene una carga todavía más positiva”, mencionó.

Como las proteínas de la espícula de la variante ómicron tienen una carga más positiva que la delta, podría crear un mejor escudo de mucinas en los aerosoles. Y esto podría ayudar a que sea incluso más transmisible.

Marr dijo que la simulación podría permitir a los científicos predecir la amenaza de futuras pandemias. Podrían construir modelos atómicos de virus recién descubiertos e introducirlos en aerosoles para observar su comportamiento.

“Esto tiene implicaciones para entender los virus emergentes que aún no conocemos”, dijo Marr. “Todavía queda un largo camino por recorrer para llegar allí, pero esto es definitivamente un gran primer paso”.