3D Анимация коронавируса SARS-CoV-2
Дата:
12.05.2020
  • Поделиться

В студии биомедицинской визуализации Visual Science создана наиболее детальная и научно достоверная трехмерная модель вируса SARS-CoV-2 в атомном разрешении. Модель основана на современных научных данных о строении коронавирусов, а также комментариях ведущих вирусологов, занимающихся изучением этой группы вирусов. Это наиболее достоверная модель из представленных на данный момент. При ее создании в Visual Science были использованы подходы и методы, применяемые в фундаментальных и прикладных научных исследованиях.

Модель SARS-CoV-2 является частью некоммерческого проекта студии Visual Science Зоопарк вирусов, в рамках которого уже созданы модели ВИЧ, гриппа A/H1N1, вируса Эбола, вируса папилломы человека и вируса Зика.

Модели и визуализации, созданные в рамках Зоопарка вирусов, отмечены призами журнала Science и Национального научного фонда США, и были опубликованы в ведущих медиа, среди которых Science, Nature Medicine, The New York Times, The Washington Post, Scientific American, Wired UK, Der Spiegel, Stern, National Geographic, GEO и другие.

В свойственном им завораживающем стиле, талантливые иллюстраторы из Visual Science создали модель вирусной частицы SARS-CoV-2. В мельчайших деталях она демонстрирует зрелую частицу с поверхностными белками, встроенными в мембрану. Вид со срезом показывает нуклеокапсид внутри частицы. Эти великолепные изображения позволяют лучше понять организацию вируса, а для неспециалистов, сделать вирус, инфецирующий миллионы людей, практически осязаемым.

— Винсент Раканиелло, Хиггинсовский профессор Департамента Микробиологии и Иммунологии Колумбийского университета, Нью-Йорк.

Отличная работа с поверхностными белками и иллюстрациями! По-настоящему хорошо сделано. Поверхностные выросты показаны настолько аккуратно, насколько это в принципе возможно, опираясь на современные данные. Изображения великолепны.

— Джейсон МакЛиллан, профессор, Департамент биомолекулярных наук Университета Техаса в Остине

Ого, это по-настоящему здорово. Мне нравится вариант, когда частица открыта, и видно РНП — новая любимая модель SARS-CoV-2.

— Бенджамин Ньюман, профессор, глава Отдела биологических наук Техасского механико-агрикультурного университета Тексаркана

Модель была построена на основании предположений, происходящих из всех доступных на данный момент сведений. Это хорошая модель. Тем не менее, надо иметь в виду, что исходные структуры С-концевых участков нуклеокапсида были получены без РНК. Присоединение РНК, вероятно, еще компактизует структуру, благодаря сильным РНК-белковым взаимодействиям.

— Профессор Тай-хуанг Хуанг, заслуженный научный сотрудник Отделения структурной биологии Института биомедицинских наук Академии Синика, Нанканг, Тайпей

Вирус SARS-CoV-2

В конце декабря 2019 года подразделение Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ) в Китае зарегистрировало вспышку пневмонии неизвестного происхождения. В начале января 2020 года был определен возбудитель заболевания — коронавирус, родственный возбудителям тяжелого острого респираторного синдрома (SARS) и ближневосточного респираторного синдрома (MERS). Позднее разновидность вируса была названа SARS-CoV-2, а вызываемое им заболевание — COVID-19 (от английского Corona Virus Disease). 11 марта 2020 года ВОЗ официально объявила о начале пандемии нового заболевания [1].

Что такое коронавирусы?

В 1965 году британские вирусологи Тайрелл и Бино, изучавшие возбудителей обычной простуды, культивировали новый вирус под названием B814 [2]. Позднее, в ходе микроскопических исследований, Дэвид Тайрелл и его коллеги обнаружили сходство строения этого вируса и нескольких возбудителей заболеваний животных: вируса инфекционного бронхита птиц, вируса гепатита мышей и вируса трансмиссивного гастроэнтерита свиней [3]. Вирусы были преимущественно округлой или овальной формы, а на их поверхности были видны длинные выросты, напоминающие «корону», которая возникает вокруг солнечного диска при полном затмении. Благодаря этому группа получила название коронавирусов [4,5].

Вирусы — это крайне разнообразная группа агентов. Некоторые из них содержат только белки и генетический материал (например, вирусы обычной простуды или вирус папилломы), а у некоторых, как у гриппа или ВИЧ, есть оболочка, которую вирус похищает из клетки хозяина. Оболочка состоит из двойного слоя липидов, в который встраиваются белки вируса. У коронавирусов такая оболочка есть.

Геномы вирусов, в отличие от геномов бактерий или более сложных организмов, могут состоять как из ДНК, так и из РНК. У коронавирусов генетический материал представлен РНК и имеет самую большую длину из всех вирусов со сходной организацией — около 30000 нуклеотидов (структурных элементов, последовательность которых и несет информацию о строении белков вируса) [6]. Для сравнения, геном вируса гриппа, также представленный одноцепочечной РНК, хотя и разделенной на фрагменты, суммарно примерно в 2 раза короче [7]. Обычно, у вирусов более длинный геном означает возможность кодировать больше белков и, как следствие, вступать в более сложные взаимоотношения с клеточными системами защиты.

Среди коронавирусов ученые выделяют 4 крупные группы, названные буквами греческого алфавита — от альфа до дельта. Альфа- и бетакоронавирусы заражают млекопитающих, тогда как гамма- и дельтакоронавирусы заражают преимущественно птиц и рыб [8,9].

Коронавирусы животных, при этом могут причинять существенный экономический ущерб. Так, в 2016 году, вирус, вызывающий острую диарею у свиней, во время вспышки погубил порядка 24000 поросят [10].

До 2019 года было известно 6 коронавирусов, способных заражать людей. Четыре из них (HCoV‐229E, HCoV‐OC43, HCoV‐NL63 и HKU1) вызывают симптомы, похожие на обычную простуду. Два — SARS‐CoV и MERS‐CoV могут заражать нижние дыхательные пути и с высокой вероятностью приводить к тяжелой пневмонии или даже смерти больного [11].

Атипичная пневмония и ближневосточный респираторный синдром

До начала 2000-х годов коронавирусы человека не воспринимались как серьезная опасность. В 2002 году в южных областях Китая произошла эпидемия тяжелого острого респираторного синдрома (SARS, также известного как атипичная пневмония), вызываемого новым на тот момент коронавирусом SARS-CoV [12]. Вспышка затронула более 8000 человек, чуть меньше 1000 из которых погибли [13]. В 2012 году распространение другого родственного вируса MERS-CoV привело ко вспышке заболевания ближневосточным респираторным синдромом, в результате которой заразилось 2066 человек и умерло 720. Эта эпидемия затронула преимущественно Саудовскую Аравию, хотя случаи были отмечены в 27 странах [14].

Оба этих коронавируса имели зоонозное происхождение — они передались людям, соответственно, от цивет (род мелких хищных млекопитающих) и верблюдов, которые, в свою очередь, получили эти вирусы от летучих мышей [8,15].

SARS-CoV-2 — возбудитель COVID-19

Как и заболевания SARS, COVID-19, вызываемый родственным вирусом SARS-CoV-2, опасен прежде всего поражением нижних дыхательных путей, в клетки которых вирус проникает, связываясь с тем же поверхностным рецептором ACE2.

Характеристики вируса

Многие детали о распространении SARS-CoV-2, его симптомах и эпидемиологических характеристиках, остаются предметами дискуссии и активного изучения. Вирус передается через капли крупного аэрозоля, который образуется при кашле или чихании. Однако вопрос, может ли вирус длительное время (часы) оставаться в воздухе в составе более мелких капель, остается открытым [19]. Важным путем передачи, по видимому, являются поверхности, на которых коронавирус может оставаться длительное время. Поэтому для снижения вероятности заражения важно часто мыть руки и меньше прикасаться к лицу. По всей видимости, распространять вирус могут даже те, у кого заражение проходит бессимптомно [19].

В Европейском центре по контролю за заболеваниями проанализировали распространение нового коронавируса в ходе вспышки в Италии. На основе полученных данных оценили базовое репродуктивное число для этого вируса (количество людей, которых заразит типичный заболевший). Это число оценивается в диапазоне от 2,76 до 3,25 [20]

Инкубационный период для вируса SARS-CoV-2 оценивается от 2 до 7 дней (для большинства случаев — 4 дня, хотя иногда доходит и до 14) [21]. Многие, если не большинство зараженных, болеют бессимптомно, хотя точно оценить процент бессимптомных случаев сложно. Из заболевших, у которых проявились симптомы, примерно 80% переносят болезнь сравнительно легко. Тяжелое состояние с гипоксией развивается примерно у 14%. Критическое состояние с дыхательной недостаточностью наблюдается примерно у 5% больных [19].

Летальность вируса, оценивается в диапазоне от 0,9 до 1,4 процентов, что приблизительно в 10 раз выше, чем у сезонного гриппа [22].

Происхождение

Последовательностью своего генома новый коронавирус SARS-CoV-2 больше всего похож на один из коронавирусов летучих мышей, который называется BatCoV RaTG13. Схожесть геномов составляет 96,2% [16]. Опираясь на это, ученые делают предположение об эволюционном родстве этих вирусов. Обнаружено также высокое (91,02%) сходство генома SARS-CoV-2 с геномом одного из коронавирусов панголинов Pangolin-CoV. Интересно, что несмотря на более высокое сходство нового коронавируса с вирусом летучих мышей, по строению ключевого поверхностного белка, отвечающего за связь и проникновение частицы в заражаемую клетку, SARS-CoV-2 больше похож как раз на вирус панголинов [17].

Вирус SARS-CoV-2 или его ближайшие предшественники могли один или несколько раз передаваться людям от животных осенью 2019 года. Вполне вероятно, что эти передачи могли происходить на рынке города Ухань, где были зарегистрированы первые случаи заболевания. Возможность того, что новый вирус является потомком лабораторных штаммов коронавирусов, исследования которых также проводились в городе Ухань, нельзя исключить полностью, однако вероятность такого события оценивается как крайне низкая, поскольку в этом случае должен был быть ранее изолирован штамм вируса, уже очень похожий на SARS-CoV-2, чего описано не было [18].

О строении вируса и процессе моделирования подробнее читайте в разделе о модели коронавируса SARS-CoV-2.

Показать ссылки
  • Руководитель проекта:
    Иван Константинов
  • Координатор проекта, научный консультант:
    Юрий Стефанов, к.б.н.
  • Обзор литературы
    Анна Зырина, к.б.н., Юрий Стефанов, к.б.н.
  • Молекулярное моделирование:
    Дмитрий Щербинин, к.б.н., Анастасия Бакулина, к.б.н., Марина Пак
  • 3D-моделирование:
    Максим Кулемза
  • Анимация:
    Юрий Стефанов
  • Супервайзер анимации:
    Сергей Иванчук
  • Дизайн:
    Елизавета Орешкина
  • Звук:
    Bad Zu Студия sounds like a plan
  • Менеджеры проекта:
    Иван Константинов, Юрий Стефанов

Мы выражаем большую признательность Бенджамину Ньюману, профессору, главе Отдела биологических наук Техасского механико-агрикультурного университета Тексаркана, Тай-хуанг Хуангу, заслуженному научному сотруднику Отделения структурной биологии Института биомедицинских наук Академии Синика, Нанканг, Тайпей, и Джейсону МакЛиллану, профессору Департамента биомолекулярных наук Университета Техаса в Остине, авторам множества научных работ о структуре и биологии коронавирусов и вирусных белков, за рекомендации и полезную дискуссию о разных аспектах строения вириона SARS-CoV-2 и упаковки его генома.