Microscopisch touwtrekken met corona

Een team van biofysici heeft ontdekt dat SARS-CoV-2 grote fysieke krachten kan weerstaan, wat een van de redenen zou kunnen zijn voor het succes van het virus. In het wetenschappelijke tijdschrift PNAS presenteerden de onderzoekers hun methode, ontwikkeld onder leiding van prof. dr. Jan Lipfert die sinds kort verbonden is aan de Universiteit Utrecht. Het werk maakt onderzoek mogelijk naar geneesmiddelen die moeten voorkomen dat het coronavirus zich bindt.

Corona virus particle infecting a cell
Coronavirusdeeltje infecteert een cel.

Ademhalen, hoesten en niezen

De eerste kritieke stap bij een infectie door het coronavirus is wanneer het virus zich met zijn spike-eiwit hecht aan een receptor op het menselijke celoppervlak. De meeste coronavirusinfecties beginnen in de mond en de keel, waar de SARS-coronavirussen zich aan deze zogenaamde ACE2-receptor binden voordat ze hun genetisch materiaal in de cellen inbrengen en de infectie zijn beloop kan hebben.

Maar na de binding aan de receptor worden de virussen blootgesteld aan diverse krachten: ademhalen, hoesten en niezen zorgen voor luchtstromen door de mond en neus en die kunnen de virusdeeltjes lostrekken van potentiële gastheercellen. Vanuit het oogpunt van het virus is het dan ook essentieel dat hun binding aan ACE2 bestand is tegen die externe krachten, om zo succesvolle infecties mogelijk te maken.

Twee keer zoveel kracht weerstaan

Jan Lipfert, die enkele maanden geleden werd benoemd tot hoogleraar Biofysica aan de Universiteit Utrecht, is een expert op het gebied van 'krachtspectroscopie', een verzamelnaam voor technieken waarmee het gedrag van (bio)moleculen onder kracht te bestuderen is. In zijn lab in München ontdekten Lipfert en zijn collega's dat SARS-CoV-2 twee keer zoveel kracht kan weerstaan als SARS-CoV-1, het virus dat in 2002-2003 een veel kleinere pandemie veroorzaakte. "Deze bevinding verklaart waarom SARS-CoV-2, in tegenstelling tot SARS-CoV-1, ook de bovenste luchtwegen kan treffen, waar turbulente luchtstromen hogere krachten genereren dan in de diepe longen", zegt Lipfert.

Dit verschil zou hebben bijgedragen tot het heel andere verloop van de pandemie van 2002-2003 in vergelijking met de huidige pandemie. Lipfert: "Infecties in de diepe longen met het oude SARS-CoV-1 zorgden ervoor dat patiënten sneller erg ziek werden, maar dat maakte het makkelijker om ze te isoleren en zo de verspreiding van het virus te stoppen."

Krachtstabiliteit zou wel eens een deel van het antwoord kunnen zijn op de vraag waarom omikron zoveel besmettelijker is dan delta.

Prof. dr. Jan Lipfert

Trekken aan de spike-eiwitten

Hoewel het bindingssucces van een virus meestal wordt bestudeerd in het licht van de biochemie, richt Lipfert zich op de rol van krachtstabiliteit. "Eerst gebruikten we een atomaire-krachtmicroscoop, kortweg AFM, om aan de eiwitten te trekken, een methode waarmee we hoge krachten kunnen uitoefenen en snelle metingen kunnen doen. Daarnaast gebruikten we een zogeheten magnetisch pincet, dat extreem gevoelig is en zeer kleine krachten kan vaststellen. Met deze methoden hebben wij de krachten in de mond en de keel nagebootst en geanalyseerd welke daarvan nodig zijn om het virus van zijn bindingspartner te scheiden. We waren in staat om het hele fysiologisch relevante krachtbereik te beschrijven."

Momenteel gebruikt het team de aanpak om te kijken naar de varianten van het coronavirus. "Corona-onderzoek gaat snel. We bestuderen nu al de krachtstabiliteit van de meer recente varianten van SARS-CoV-2. Dit zou wel eens een deel van het antwoord kunnen blijken te zijn op de vraag waarom omikron zoveel besmettelijker is dan delta. En de krachtstabiliteit zou zelfs kunnen leiden tot het voorspellen van toekomstige varianten die zorgen baren."

Publicatie in PNAS

Magnus S. Bauer, Sophia Gruber, Adina Hausch, Priscila S.F.C. Gomes, Lukas F. Milles, Thomas Nicolaus, Leonard C. Schendel, Pilar López Navajas, Erik Procko, Daniel Lietha, Marcelo C.R. Melo, Rafael C. Bernardi, Hermann E. Gaub en Jan Lipfert

A Tethered Ligand Assay to Probe SARS-CoV-2:ACE2 Interactions

Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A (2022)