Computer simulations of the interaction between enveloped viruses and materials

Abstract

La pandèmia de la COVID-19, causada pel virus SARS-CoV-2, ha provocat molt de dolor i patiment a la societat humana. Milions de persones han traspassat degut a la malaltia i la majoria de la població mundial ha viscut períodes de confinament.

Aquesta tesi se centra en com el virus de la COVID-19 interacciona amb les superfícies de l’entorn, les possibles maneres en què es pot escampar el virus i les estratègies utilitzades per desinfectar i controlar la seva transmissió. La possibilitat que les superfícies tinguin un paper en la propagació de la malaltia va portar els científics a estudiar com els virus interactuen amb diferents materials. Els investigadors, durant la pandèmia, s’han centrat a estudiar la supervivència dels virus a les superfícies i han trobat que el seu temps de supervivència depèn del tipus de superfície i d’altres factors ambientals com la temperatura o la humitat. Hi ha estudis experimentals que també s’han centrat en com els virus es poden transferir des de superfícies a altres materials, com la pell humana, i com els desinfectants poden inactivar el virus.

Tanmateix, els mecanismes microscòpics darrere de la interacció entre el coronavirus, les superfícies i els desinfectants encara no s’entenen prou bé. Per ajudar a solucionar aquest buit, he realitzat simulacions per ordinador de diversos sistemes per explorar aquestes interaccions en detall.

En primer lloc, em centro en la interacció virus-pell ja que la pell humana pot tenir un paper important en la transmissió del virus. Les simulacions mostren que la proteïna espícula pot patir danys substancials quan interactua amb la part més externa de la pell humana. També he trobat que la proteïna espícula manté la seva integritat quan interactua amb una pell greixosa.

També he estudiat com interactuen les diferents variants que van aparèixer durant l’evolució de la pandèmia COVID-19 amb superfícies carregades. Les mutacions que es produeixen a la proteïna espícula canvien significativament la càrrega d’aquesta i, en conseqüència, s’espera un comportament diferent quan la proteïna interactua amb superfícies carregades. Les meves troballes mostren que la variant Omicron del coronavirus, identificada per primera vegada el novembre de 2021, presenta una forta atracció per les superfícies carregades negativament. En canvi, la soca original del virus i la variant Delta mostren interaccions repulsives o només una atracció feble quan s’exposen a superfícies carregades. Hem estudiat aquest fenomen mitjançant un nou mètode que proporciona resultats generals per a la interacció com una funció de la densitat de càrrega superficial.

D’altra banda, m’he focalitzat en l’estudi dels desinfectants que s’utilitzen habitualment per eliminar els virus de l’entorn. He investigat sobre el mecanisme molecular d’un d’aquests desinfectants, els tensioactius, que estan presents en productes desinfectants i sabons. El pensament comú és que els tensioactius són capaços de dissoldre l’embolcall del virus i així inactivar el virus. No obstant, les simulacions de dinàmica molecular han demostrat que els tensioactius també tenen una forta atracció amb la proteïna espícula del coronavirus. A més a més, els experiments dels nostres col·laboradors han demostrat que els tensioactius són capaços d’inactivar el virus atacant la proteïna espícula.

Finalment, he estudiat un altre tipus de virus, el lentivirus. Aquest virus s’utilitza per a una aplicació clínica que consisteix en produir cèl·lules dissenyades per curar el càncer. Vaig trobar que els lentivirus tenen una interacció electrostàtica millorada amb l’hidrogel, el material utilitzat per produir aquestes cèl·lules.

Per dur a terme aquesta tesi, he utilitzat diverses tècniques computacionals: dinàmica molecular, càlculs electrostàtics a nivell de Poisson-Boltzmann i acoblament molecular.

La pandemia de la COVID-19, causada por el virus SARS-CoV-2, ha provocado mucho dolor y sufrimiento en la sociedad humana. Millones de personas han muerto debido a la enfermedad y la mayoría de la población mundial ha vivido períodos de confinamiento.

Esta tesis se centra en cómo el virus de la COVID-19 interacciona con las superficies del entorno, las posibles formas en que se puede esparcir el virus y las estrategias utilizadas para desinfectar y controlar su transmisión. La posibilidad de que las superficies tengan un papel en la propagación de la enfermedad llevó a los científicos a estudiar cómo los virus interactúan con distintos materiales. Los investigadores, durante la pandemia, se han centrado en estudiar la supervivencia de los virus en las superficies y han encontrado que su tiempo de supervivencia depende del tipo de superficie y de otros factores ambientales como la temperatura o la humedad. Hay estudios experimentales que también se han centrado en cómo los virus pueden transferirse desde superficies a otros materiales, como la piel humana, y cómo los desinfectantes pueden inactivar el virus.

Sin embargo, los mecanismos microscópicos detrás de la interacción entre el coronavirus, las superficies y los desinfectantes todavía no se entienden bien. Para ayudar a solucionar este vacío, he realizado simulaciones por ordenador de varios sistemas para explorar estas interacciones en detalle.

En primer lugar, me centro en la interacción virus-piel ya que la piel humana puede desempeñar un papel importante en la transmisión del virus. Las simulaciones muestran que la proteína espícula puede sufrir daños substanciales cuando interactúa con la parte más externa de la piel humana. También he encontrado que la proteína espícula mantiene su integridad cuando interactúa con una piel grasa.

También he estudiado cómo interactúan las diferentes variantes que aparecieron durante la evolución de la pandemia COVID-19 con superficies cargadas. Las mutaciones que se producen en la proteína espícula cambian significativamente la carga de ésta y, en consecuencia, se espera un comportamiento distinto cuando la proteína interactúa con superficies cargadas. Mis hallazgos muestran que la variante Omicron del coronavirus, identificada por primera vez en noviembre de 2021, presenta una fuerte atracción por las superficies cargadas negativamente. En cambio, la cepa original del virus y la variante Delta muestran interacciones repulsivas o sólo una atracción débil cuando se exponen a superficies cargadas. Hemos estudiado este fenómeno mediante un nuevo método que proporciona resultados generales para la interacción como función de la densidad de carga superficial.

Por otro lado, me he focalizado en el estudio de los desinfectantes que se utilizan habitualmente para eliminar los virus del entorno. He investigado sobre el mecanismo molecular de uno de estos desinfectantes, los tensioactivos, que están presentes en productos desinfectantes y jabones. El pensamiento común es que los tensioactivos son capaces de disolver el envoltorio del virus y así inactivar el virus. Sin embargo, las simulaciones de dinámica molecular han demostrado que los tensioactivos tienen también una fuerte atracción con la proteína espícula del coronavirus. Además, los experimentos de nuestros colaboradores han demostrado que los tensioactivos son capaces de inactivar el virus atacando a la proteína espícula.

Por último, he estudiado otro tipo de virus, el lentivirus. Este virus se utiliza para una aplicación clínica consistente en producir células diseñadas para curar el cáncer. Encontré que los lentivirus tienen una interacción electrostática mejorada con el hidrogel, el material utilizado para producir estas células.

Para llevar a cabo esta tesis, he utilizado diversas técnicas computacionales: dinámica molecular, cálculos electrostáticos a nivel de Poisson-Boltzmann y ensamblaje molecular.

The COVID-19 pandemic, caused by the SARS-CoV-2 virus, brought much pain and suffering to human society. Millions of people died from the disease and the majority of the world’s population experienced periods of confinement.

This thesis focuses on how this virus interacts with surfaces in the environment, the possible ways the virus may spread and the strategies used to disinfect and control its transmission. The possibility that surfaces play a role in spreading the disease led scientists to study how viruses interact with different materials. Researchers during the pandemic have focused in studying the survivability of viruses on surfaces and found that their survival time depends on the type of surface and other environmental factors like temperature or humidity. Experimental studies also focused on how viruses can transfer from surfaces to other materials, such as human skin, and how disinfectants can inactivate the virus.

However, the microscopic mechanisms behind the interaction between the coronavirus, materials, and disinfectants are still not well understood. To help address this gap, I carried out computer simulations of various systems to explore these interactions in detail.

First, I focus on the virus-skin interaction because the human skin may play a significant role in the transmission of the virus. The simulations show that the spike protein can suffer substantial damage when interacting with the outermost part of the human skin. Alternatively, the spike protein keeps its integrity when interacting with an oily skin.

After, I studied how the different variants that appeared during the evolution of the COVID-19 pandemic interact with charged surfaces. The mutations that occur in the spike protein significantly change the charge of the spike protein and consequently different behavior when interacting with charged surfaces is expected. My findings show that the Omicron variant of the coronavirus, first identified in November 2021, exhibits a strong attraction to negatively charged surfaces. In contrast, the original strain of the virus and the Delta variant either show repulsive interactions or only weak attraction when exposed to charged surfaces. We studied this phenomena using a new method that provides general results for the interaction as a function of the surface charge density.

On the other hand, I focused on the study of disinfectants, which are typically used to eliminate the virus from the environment. I investigated about the molecular mechanism of one of these agents, the surfactants, which are present in disinfecting products and soaps. The common thought is that surfactants are able to dissolve the envelope of the virus and thus inactivating the virus. However, the molecular dynamics simulations that I developed showed that surfactants have also a strong attraction to the spike protein of the coronavirus. Experiments of our collaborators showed that surfactants are able to inactivate the virus by attacking the spike protein.

Finally, I studied on another type of virus, the lentivirus. This virus is used for a clinical application which consists in producing cells with the function of curing cancer. I found that the lentiviruses have an enhanced electrostatic interaction with the hydrogel, the material used to produce these cells.

To carry out this thesis, I have used several computational techniques: molecular dynamics, electrostatic calculations at the level of Poisson-Boltzmann and molecular docking.