SARS-COV-2. 2. Ma cosa sono i virus e come si riproducono?

Claudio Della Volpe

La prima parte di questo post è stata pubblicata qui

Il virus è una struttura supramolecolare, come quelle che studia Vincenzo Balzani o quelle che hanno portato al Nobel Jean-Marie Lehn nel 1987, Jean-Pierre Sauvage, Sir J. Fraser Stoddart and Bernard L. Feringa ”for the design and synthesis of molecular machines” nel 2016.

(Giusto al volo sarebbe da ricordare che il premio Nobel per la Chimica nel 2017 è andato a Jacques Dubochet, Joachim Frank and Richard Henderson per la microscopia crio-elettronica che sta aiutando a svelare i dettagli dei legami delle spikes virali con le belle immagini che vi ho riportato nella prima parte di questo post).

Bene il virus è dunque  un oggetto chimico a tutti gli effetti anche se oggi viene studiato o discusso essenzialmente da biologi e medici, da virologi; ma la chimica che esso sottende non può essere ignorata. E’ un oggetto chimico autoassemblante tenuto insieme da forze deboli.

Conosciamo vari aspetti chimico-fisici del virus; per esempio come il virus attacca una cellula, stiamo parlando del punto di vista chimico-fisico. Non è che in letteratura si trovi molto.

(articolo del 1995, 25 anni fa)

Per esempio conosciamo il valore della costante di dissociazione del Receptor Binding Domain della spike protein per hACE2; sappiamo che sotto una certa concentrazione di virus e relativa proteina la dose non é sufficiente a “fare il veleno” ossia ad infettare la cellula, e questo appare un risultato eccezionale che spiega perché la presenza di particelle virali non sempre si coniuga con l’infezione, oppure fa capire meglio lo strano concetto (secondo me da aggiornare)  del virus vivo; già i virologi usano questo strano concetto: virus vivo. Termine ambiguo come vedremo.

La definizione formale è “infectious activity” o “actively replicating viral particles”. Ma comunemente si usare dire virus vivo (live virus) per distinguerlo dalle particelle di virus inattivato, che sono compromesse/incapaci di replicare. Il fatto è che non devono essere per forza compromesse ma basta che siano sotto la concentrazione utile a legarsi efficacemente.

Noi sappiamo che l’associazione fra il virus e il suo potenziale recettore sulla superficie cellulare è analizzato usando i medesimi concetti dell’associazione proteina -ligando IN SOLUZIONE.

Si usa un processo a due stadi:

L+P=LP

dove L è il ligando, P la proteina e LP il complesso, tutti sono solubili ed hanno una concentrazione ed una attività Kd = [ L ] [ P ] /[ LP ]

La costante di dissociazione  Kd    è la costante di equilibrio per il processo di dissociazione (le parentesi quadre ovviamente indicano la concentrazione molare) e si può anche scrivere all’equilibrio come il rapporto fra le due velocità di dissociazione ed associazione indicate in genere come koff e kon: Kd=koff/kon

A questo punto diventa semplice dire che la costante di dissociazione (in genere riportata in unità di concentrazione) è pari al valore di concentrazione (o attività) [L] quando [P]=[LP] ossia metà dei siti del recettore sono occupati.

Nel caso del virus e del recettore ACE2 si usa la stessa logica, solo che adesso il virus è il ligando, il recettore ACE2 la proteina P ed entrambi sono difficilmente considerabili “in soluzione”. Dai valori nella figura per esempio si vede che a 14.7 nM di virus solo metà dei virus è legato al recettore ACE2. 14.7nM sono circa un carico virale di 8.85 x 1015 virioni per litro.

In chimica peraltro le costanti sono adimensionali dato che sarebbero rapporti di attività, mentre qua si usano le concentrazioni, sostituzione permessa quando il coefficiente di attività è unitario.

Considerare sia virus, sia il recettore che il loro complesso come “solubili” ha varie conseguenze; noi chimici nel caso del prodotto di solubilità dove il risultato della reazione è un solido, gli assegnamo attività unitaria e la equazione dell’equilibrio diventa un prodotto di solubilità

Se i due ioni hanno un prodotto delle concentrazioni che è sotto il limite non precipiteranno anche se sono entrambi presenti. Così qui se entrambi i fattori i virus e i siti di legame cellulare hanno un prodotto delle concentrazioni che sta sotto un certo valor limite non ci saranno strutture legate e dunque nessuna infezione.

Una situazione di questo genere potrebbe esserci anche per questo coronavirus; si discute se i Sars-cov-2 che si trovano nelle feci siano infettivi o no; la questione è che la loro concentrazione in quel contesto è molto più bassa che nei tessuti polmonari e allora, nonostante si possano fotografare al SEM o se ne possa rilevare l’RNA il virus non infetta, ma potrebbe non dipendere dal fatto che è “inattivo” perché danneggiato, ma solo dal fatto che la sua concentrazione è molto bassa.

Comunque sia al momento la teoria di queste cose è secondo me indietro e si ragiona senza considerare la chimica.

Molto recentemente un gruppo italiano ha fatto notare che il SARS-cov-2 si attacca anche ai recettori  sialici oltre che a quelli hACE2; non abbiamo i dati di costante di legame fra virus e questi siti; esistono per il SARS-cov-1(NATuRe STRuCTuRAL & MoLeCuLAR BioLoGY | VOL 26 | JUNE 2019 | 481–489 | www.nature.com/nsmb)

https://arxiv.org/pdf/2003.11107.pdf

Questa osservazione è importante perché è stato chiarito che la costante di binding del sito hACE2 è praticamente la stessa per entrambi i virus; ma allora perché la situazione clinica è così diversa? Potrebbero esserci altri siti di legame? E dunque altre vie di attacco per il virus? Questa dell’acido sialico insieme a quella che abbiamo citato nella prima parte del post (il recettore DDP4) potrebbero essere due strade alternative da bloccare con opportuni farmaci.

http://www.unife.it/scienze/lm.biomolecolare/insegnamenti/virologia/materiale-didattico/1-Introduzione%20virologia.pdf

Una nota al volo: in questi ultimi giorni si discute di una riduzione del carico virale e della sua relazione con una diminuita insorgenza di casi gravi, la concentrazione del virus è la gravità della malattia sembrano in stretta relazione.

https://www.scienzainrete.it/articolo/perch%C3%A9-si-muore-sempre-meno-di-covid/luca-carra/2020-05-25

Ci sono idee alternative sui virus e vale la pena di accennarne un momento qui; la visione dominante del virus come non vivente è quella di cui abbiamo discusso finora, ma nel 1983 uno studioso della Georgia University, di origine Rumena, Claudiu I. Bandea (J. theor. Biol. (1983) 105, 591-602) propose un diverso punto di vista. Dice Bandea:

Faccio un tentativo di delimitare i concetti di vita e di organismo e di integrare i virus in questo quadro. I virus sono presentati come organismi che passano nel loro ciclo ontogenetico attraverso due fasi fenotipiche distintive: (1) la fase vegetativa e (2) la fase della particella virale o dell’acido nucleico. Nella fase vegetativa, qui considerata come la fase ontogeneticamente matura dei virus, le loro molecole componenti sono disperse all’interno della cellula ospite. In questa fase il virus mostra le principali proprietà fisiologiche di altri organismi: metabolismo, crescita e riproduzione.

 Ed ancora:

In sintesi, i virus dovrebbero essere considerati come organismi che sviluppano intracellularmente la loro fase vegetativa morfologicamente dispersa, fisiologicamente attiva e che riproducono i virioni attraverso forme morfologiche unitarie inerti.

L’idea è stata poi ripresa ed ulteriormente chiarita da Patrick Forterre, uno dei più famosi virologi francesi  (Orig Life Evol Biosph (2010) 40:151–160 ) in un articolo dal titolo: Definire la vita: il punto di vista dei virus in cui Forterre tenta di dare una ambiziosa definizione di vita.

Suggerisco qui di definire la vita (un processo storico) come la modalità di esistenza degli organismi che codificano i ribosomi (cellule) e degli organismi che codificano capsidi (virus) e dei loro antenati. Ho proposto di definire un organismo come un insieme di organi integrati (molecolari o cellulari) che producono individui in evoluzione attraverso la selezione naturale. L’origine della vita sul nostro pianeta corrisponderebbe alla creazione del primo organismo corrispondente a questa definizione.

Secondo questo punto di vista quello che noi chiamiamo virus viene ridefinito come virione, mentre il virus è quello che noi vediamo come la cellula infettata dal virus. L’oggetto supramolecolare che chiamiamo virus viene ridefinito in questa ipotesi come virione, una sorta di “spora” del virus vero e proprio.

Dunque il sistema virus-virione apparirebbe da questo punto di vista come il ciclo di un organismo che attraversa due fasi: una di attesa, che chiamiamo virus ma che questi autori rinominano come virione, una spora molto meno resistente delle vere spore batteriche tradizionali, tenuta insieme da forze deboli; tanto deboli che in molti casi basta la luce del sole ad inattivarle; questo è un risultato recente sul coronavirus.

https://academic.oup.com/jid/advance-article/doi/10.1093/infdis/jiaa274/5841129

Se la spora riesce a legarsi a qualche proteina di superficie  della cellula ed a mimare l’ingresso di una sostanza utile allora il virione diventa virus, ossia mette la cellula sotto controllo e si fa costruire copie di se stesso; il virus in questa nuova denominazione è la cellula infettata che smette di essere se stessa e diventa un’altra cosa, un virus appunto, che produce nuovi virioni e così via.

Questo approccio ha a che fare con il tentativo di modellare non solo l’origine dei virus ma di modellare la vita stessa. Si considerano qui vari fatti come le relazioni fra i virus dei tre tipi di cellule viventi che conosciamo: procariote, eucariote ed archea, tutte discendenti da un medesimo progenitore: LUCA, ossia Last Universal Common Ancestor, un organismo ipotetico che viveva vicino ai soffiatori neri nelle profondità oceaniche, anaerobio, capace di fissare la CO2, di usare l’idrogeno (con il cosiddetto meccanismo di Wood–Ljungdahl ) e l’azoto e anche termofilo. Per ciascuno di questi tipi  di cellule ci sono specifici virus  e questo fa pensare che i virus siano antichi come  e più delle cellule e risalgano al tempo di LUCA.

Ultima cosa da notare e che lega la chimica (in particolare la chimica-fisica) ai virus è che le moderne teorie sulle transizioni di fase , come quelle proposte da Ricard V. Solè (un biofisico, Phase Transitions, Oxford University Press, 2011) considerano le infezioni virali come un buon esempio da analizzare, come nel più moderno libro scritto con Elena ed usano come default l’idea del virus “vivente”, ossia del ciclo virus-virione come contesto interpretativo.

(continua)

5 pensieri su “SARS-COV-2. 2. Ma cosa sono i virus e come si riproducono?

  1. Ottimo articolo Claudio.
    Verso la fine dici: “Per ciascuno di questi tipi di cellule ci sono specifici virus e questo fa pensare che i virus siano antichi come e più delle cellule e risalgano al tempo di LUCA”. Questa frase ci ha aperto gli occhi.
    Nella scala della complessità che va dall’atomo all’uomo, da noi discussa in diverse occasioni (es: “Dall’atomo all’uomo”, Sapere, 79(5), p. 42-47 (2013); “Reading and Writing the Book of Nature”, Royal Society of Chemistry (2015)), dopo atomi, molecole, e sistemi supramolecolari abbiamo messo le cellule batteriche, sottolineanndo che il passaggio da sistemi supramolecolari a cellule è un grande salto perché è anche il passaggio da non vivente a vivente. Il virus è proprio in questa interfaccia e quindi se dovessimo riprendere il discorso dall’atomo all’uomo il virus ci sta proprio bene fra sisteni supramolecolari e cellule. Anche per coerenza con questa scala della complessità pensiamo che i virus siano certamente più antichi delle cellule.
    Vincenzo Balzani e Margherita Venturi

  2. Grazie Claudio per questo punto di vista sui virus a cui non avevo mai pensato. Mi ha consentito di comprendere certi meccanismi che prima mi risultavano ostici.

  3. “sappiamo che sotto una certa concentrazione di virus e relativa proteina la dose non é sufficiente a “fare il veleno” ossia ad infettare la cellula, e questo appare un risultato eccezionale che spiega perché la presenza di particelle virali non sempre si coniuga con l’infezione”.
    Questo potrebbe forse spiegare i casi asintomatici, quelli che sviluppano pochi sintomi, quelli che si ammalano più gravemente, quelli dove il virus colpisce un organo invece di un altro? Un grazie anticipato.

    • l’idea è esattamente questa, ma è difficile da verificare numeri alla mano dato che i dati corrispoondenti sono pochi e sono misurati in modo impreciso, comunque è questa l’idea

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