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Supercomputer-Analyse deckt auf, warum die Coronavirus-Varianten aus Großbritannien und Südafrika ansteckender und tödlicher sind

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Der Frontera-Supercomputer von TACC hilft bei der Erstellung von Infektionsmodellen von COVID-19-Varianten.

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Alle Viren mutieren, während sie Kopien von sich selbst erstellen, um sich zu verbreiten und zu gedeihen. SARS-CoV-2, das Virus, das COVID-19 verursacht, erweist sich als nicht anders. Derzeit gibt es mehr als 4.000 Varianten von COVID-19, das während der Pandemie bereits mehr als 2,7 Millionen Menschen weltweit getötet hat.

Die britische Variante, auch bekannt als B.1.1.7, wurde erstmals im September 2020 entdeckt und verursacht nun 98 Prozent aller COVID-19-Fälle in Großbritannien. Und sie scheint sich in rund 100 weiteren Ländern festzusetzen, in die sie sich in den letzten Monaten ausgebreitet hat, darunter Frankreich, Dänemark und die USA.

Die Weltgesundheitsorganisation sagt, dass B.1.1.7 eine von mehreren besorgniserregenden Varianten ist, zusammen mit anderen, die in Südafrika und Brasilien aufgetaucht sind.

"Die Varianten in Großbritannien, Südafrika und Brasilien sind ansteckender und entgehen der Immunität leichter als das ursprüngliche Virus", sagte Victor Padilla-Sanchez, ein Forscher an der Katholischen Universität von Amerika. "Wir müssen verstehen, warum sie infektiöser und in vielen Fällen auch tödlicher sind."

Alle drei Varianten haben Veränderungen an ihrem Spike-Protein erfahren - dem Teil des Virus, der sich an menschliche Zellen anheftet. Dadurch sind sie besser in der Lage, Zellen zu infizieren und sich zu verbreiten.

In einer Forschungsarbeit, die im Januar 2021 in Research Ideas and Outcomes veröffentlicht wurde, diskutiert Padilla-Sanchez die britische und südafrikanische Variante im Detail. Er präsentiert eine rechnerische Analyse der Struktur des Spike-Glykoproteins, das an den ACE2-Rezeptor gebunden ist, in den die Mutationen eingeführt wurden. Sein Papier skizziert den Grund, warum diese Varianten besser an menschliche Zellen binden.

"Ich habe eine kürzlich veröffentlichte Struktur des an den ACE2-Rezeptor gebundenen SARS-CoV-2-Spike analysiert und herausgefunden, warum die neuen Varianten besser übertragbar sind", sagte er. "Diese Erkenntnisse habe ich mit der Chimera-Software der UC San Francisco und Molekulardynamik-Simulationen auf dem Frontera-Supercomputer des Texas Advanced Computing Center (TACC) gewonnen."

Padilla-Sanchez fand heraus, dass die UK-Variante viele Mutationen im Spike-Glykoprotein hat, aber am wichtigsten ist eine Mutation, N501Y, in der Rezeptorbindungsdomäne, die mit dem ACE2-Rezeptor interagiert.

"Diese N501Y-Mutation sorgt für eine viel höhere Effizienz der Bindung, was wiederum das Virus infektiöser macht. Diese Variante verdrängt das bisherige Virus in Großbritannien und breitet sich an vielen anderen Orten der Welt aus", sagte er.

Die Südafrika-Variante tauchte im Oktober 2020 auf und hat wichtigere Veränderungen im Spike-Protein, was sie gefährlicher macht als die britische Variante. Sie beinhaltet eine Schlüsselmutation - genannt E484K - die dem Virus hilft, Antikörpern und Teilen des Immunsystems zu entgehen, die das Coronavirus aufgrund von Erfahrungen aus früheren Infektionen oder einem Impfstoff bekämpfen können. Da die Variante der Immunität entgeht, ist der Körper nicht in der Lage, das Virus zu bekämpfen. "Wir beginnen, die Südafrika-Variante hier in den USA zu sehen", sagte er.

Padilla-Sanchez führte eine Strukturanalyse durch, die die Kristallstruktur des Virus untersuchte; und Molekulardynamik, um diese Ergebnisse zu erhalten.

"Die größte rechnerische Herausforderung bei dieser Forschung war es, einen Computer zu finden, der leistungsfähig genug ist, um die Molekulardynamik-Aufgabe zu erledigen, die sehr große Dateien erzeugt und eine große Menge an Speicher benötigt. Diese Forschung wäre ohne den Frontera-Supercomputer nicht möglich gewesen", sagte Padilla-Sanchez.

Laut Padilla-Sanchez werden die aktuellen Impfstoffe nicht unbedingt die Varianten behandeln. "Die Varianten werden ihre eigenen spezifischen Impfstoffe benötigen. Wir werden so viele Impfstoffe für die Varianten brauchen, die auftreten."

In Zukunft wird Padilla-Sanchez die Veränderungen, die mit SARS-CoV-2 stattfinden, weiter erforschen.

"Dies war ein sehr schnelles Projekt - die computergestützte Studie dauerte einen Monat", sagte er. "Es gibt viele andere Labore, die Nasslabor-Experimente durchführen, aber es gibt nicht viele rechnerische Studien. Deshalb habe ich mich entschieden, diese wichtige Arbeit jetzt zu machen."

Diese Studie mit dem Titel "SARS-CoV-2 Structural Analysis of Receptor Binding Domain New Variants from United Kingdom and South Africa" wurde in Research Ideas and Outcomes im Januar 2021 veröffentlicht. Der Forscher, der an dieser Studie gearbeitet hat, ist Victor Padilla-Sanchez von der Katholischen Universität von Amerika.

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