Visualisation de la protéine de pointe du virus (cyan) entourée de molécules de mucus (rouge) et d’ions calcium (jaune). La membrane virale est représentée en violet. Crédit : Lorenzo Casalino de l’UC San Diego, le laboratoire Amaro et l’équipe de recherche.
UC San Diego développe un modèle informatique pour aider à comprendre comment les virus voyagent dans l’air.
En mai 2021, les Centres de contrôle des maladies ont officiellement reconnu que… SRAS-CoV-2-le virus qui cause COVID-19-est transmissible par l’air, ce qui signifie qu’il est hautement transmissible par l’air.
Aujourd’hui, Rommie Amaro, professeur et titulaire de la chaire de chimie et de biochimie de l’Université de Californie à San Diego, ainsi que ses partenaires aux États-Unis et dans le monde entier, ont modélisé le virus delta à l’intérieur d’un aérosol pour la première fois.
Ce travail était finaliste pour le prix Gordon Bell, décerné chaque année par l’Association for Computing Machinery pour récompenser les réalisations exceptionnelles dans le domaine du calcul haute performance. Amaro a dirigé l’équipe qui a remporté le prix l’année dernière pour ses travaux sur les sujets suivants la modélisation d’un virus SARS-CoV-2 tout en atomes et de la protéine spike du virus afin de comprendre comment il se comporte et accède aux cellules humaines..
“C’est merveilleux d’être finaliste du prix Gordon Bell pour la deuxième année consécutive”, a déclaré M. Amaro. “Mais plus que cela, nous sommes vraiment enthousiasmés par le potentiel de ce travail pour approfondir notre compréhension de la façon dont les virus sont transmis par les aérosols. Les retombées pourraient changer notre façon de voir les maladies transmises par l’air.”
Les aérosols sont minuscules. Un cheveu humain a un diamètre d’environ 100 microns. Les gouttelettes – pensez au jet qui sort de votre bouche et de votre nez lorsque vous éternuez – ont une taille supérieure à 100 microns et tombent au sol en quelques secondes. En revanche, les aérosols – produits simplement en respirant et en parlant – sont tous plus petits que 100 microns et peuvent flotter dans l’air pendant des heures et parcourir de longues distances.
Visualisation du delta SARS-CoV-2 dans un aérosol respiratoire, où le virus est représenté en violet avec les protéines de pointe en cyan. Les mucines sont en rouge, les protéines de l’albumine en vert et les lipides du fluide pulmonaire profond en ocre. Crédit : Abigail Dommer de l’UC San Diego, le laboratoire Amaro et l’équipe de recherche.
Kim Prather, titulaire d’une chaire distinguée en chimie atmosphérique et directrice du Center for Aerosol Impacts on Chemistry of the Environment (CAICE), a beaucoup étudié les embruns marins et les aérosols océaniques. Elle a contacté Amaro il y a plusieurs années pour lui faire remarquer que ces aérosols contenaient bien plus que de l’eau de mer.
“La pensée commune était que les aérosols océaniques ne contenaient que de l’eau salée”, a déclaré Mme Prather. “Mais nous avons découvert qu’il y avait une tonne d’organismes vivants à l’intérieur de l’océan, y compris des protéines et des virus. J’ai non seulement pensé que Rommie serait intéressée par cette étude, mais aussi que son travail pourrait être vraiment bénéfique pour nous aider à mieux comprendre la composition et le mouvement des aérosols et leur survie dans l’air.”
Le laboratoire d’Amaro a commencé à développer des modèles informatiques de ce à quoi ressemblaient les aérosols en s’appuyant sur les travaux de Prather sur les embruns marins. Ces simulations ont permis à Amaro et à son groupe de comprendre les méthodes expérimentales et les outils utilisés pour étudier les aérosols en général, ainsi que de développer un cadre utile pour construire, simuler et analyser des modèles d’aérosols complexes.
Lorsque le SRAS-CoV-2 est apparu au début de 2020, elle a commencé à modéliser le virus et a pu montrer comment il infecte les cellules hôtes par le biais d’un revêtement sucré appelé glycan qui recouvre les protéines de pointe.
Les spécialistes des aérosols ont toujours soupçonné que le SRAS-CoV-2 était transmis par l’air. L’étude du virus à l’intérieur d’un aérosol a donc permis d’étayer ces soupçons par des preuves. À partir des travaux que son laboratoire effectuait déjà sur les aérosols et de ceux qu’il effectuait également sur le virus, Amaro a fait le rapprochement.
“Ce sont ces fins aérosols qui peuvent voyager le plus loin et se déplacer dans le poumon profond, ce qui peut être dévastateur”, a déclaré Amaro. “Il n’existe aucun outil expérimental, aucun microscope permettant de voir les particules avec autant de détails, mais ce nouveau microscope computationnel nous permet de voir ce qui arrive au virus – comment il se déplace, comment il reste infectieux pendant le vol. Il y a quelque chose de très puissant dans le fait de pouvoir voir à quoi ressemble quelque chose, de voir comment les composants s’assemblent – cela change fondamentalement le type de questions que les gens pensent même à poser.”
Afin de mieux comprendre comment le virus se déplace et vit à l’intérieur des aérosols, Amaro a travaillé avec une équipe de 52 personnes du monde entier, dont l’Oak Ridge NationalLaboratoire, en utilisant leur Summit superordinateur pour simuler les modèles. Summit est l’un des rares superordinateurs au monde capable d’effectuer ces simulations à grande échelle, qui ont permis aux chercheurs de voir les aérosols à un milliard d’atomes, ce qui est sans précédent.
Ces simulations comprenaient des détails plus complexes des membranes du virus, ainsi que des visualisations d’aérosols. Outre le virus SRAS-CoV-2, ces aérosols respiratoires submicroniques contenaient également des mucines, du surfactant pulmonaire, de l’eau et des ions.
Les mucines sont des polymères qui recouvrent la plupart des surfaces humides de l’organisme, y compris les voies respiratoires, et elles pourraient protéger le virus contre les éléments extérieurs agressifs comme la lumière du soleil. L’une des hypothèses explorées par l’équipe d’Amaro est de savoir si la variante delta du SRAS-CoV-2 est plus transmissible en partie parce qu’elle semble interagir si bien avec les mucines.
Maintenant que les modèles ont été construits, Mme Amaro espère créer officiellement une expérience qui permettra de tester les prédictions des mouvements du virus en aérosol. Elle développe également des outils qui permettront d’étudier comment l’humidité, le vent et d’autres conditions externes affectent la transmission et la vie du virus dans les aérosols.
Au-delà des besoins immédiats d’en apprendre le plus possible sur le fonctionnement du SRAS-CoV-2, les modèles informatiques d’aérosols peuvent avoir des répercussions de grande envergure, notamment sur la science du climat et la santé humaine.
“Ce que nous avons appris pendant la pandémie, c’est que les aérosols étaient l’un des principaux moteurs de la propagation du virus et que leur importance dans la transmission de nombreux autres agents pathogènes respiratoires a été systématiquement sous-estimée”, a déclaré le Dr Robert “Chip” Schooley, professeur au département de médecine de l’école de médecine de l’UC San Diego. “Plus nous en apprenons sur les aérosols et sur la façon dont ils accueillent les virus et les polluants, comme la suie, qui ont des effets néfastes sur la santé, plus nous sommes en mesure de créer des traitements et des mesures d’atténuation efficaces. Cela profite à la santé publique et au bien-être des populations du monde entier.”
Ce travail a été soutenu par le Centre NSF pour les impacts des aérosols sur la chimie de l’environnement (CAICE), le Centre pour l’innovation chimique de la National Science Foundation (NSF CHE-1801971), NIH GM132826, NSF RAPID MCB-2032054, Oak Ridge Computing Facility at Oak Ridge National Laboratory (DOE DE-AC05-00OR22725), Texas Advanced Computing Center. Frontera (NSF OAC-1818253), Argonne Computing Facility (DOE DE-AC02-06CH11357), et Pittsburgh Supercomputer Center ( NSF TG-CHE060063). Un financement supplémentaire a été fourni par RCSA Research Corp. et une subvention de démarrage 2020 SARS-CoV-2 du Moore’s Cancer Center de l’UC San Diego. Ce travail est publié dans The Proceedings of SC21, Virtual Event, 14-19 novembre 2021.
