Struktur virus Corona adalah gambar yang sangat familiar, dengan reseptor permukaan padat yang menyerupai mahkota berduri. Protein seperti lonjakan ini menempel pada sel sehat dan memicu invasi RNA virus. Sementara geometri virus dan strategi infeksi umumnya dipahami, sedikit yang diketahui tentang integritas fisiknya.

Sebuah studi baru oleh para peneliti di Departemen Teknik Mesin MIT menunjukkan bahwa virus korona mungkin rentan terhadap getaran ultrasound, dalam frekuensi yang digunakan dalam pencitraan diagnostik medis.

Melalui simulasi komputer, tim tersebut telah memodelkan respons mekanis virus terhadap getaran di berbagai frekuensi ultrasound. Mereka menemukan bahwa getaran antara 25 dan 100 megahertz memicu cangkang dan lonjakan virus untuk runtuh dan mulai pecah dalam sepersekian milidetik. Efek ini terlihat pada simulasi virus di udara dan di air.

Hasilnya adalah pendahuluan, dan berdasarkan data terbatas mengenai sifat fisik virus. Namun demikian, para peneliti mengatakan temuan mereka adalah petunjuk pertama tentang kemungkinan pengobatan berbasis ultrasound untuk virus corona, termasuk virus SARS-CoV-2. Bagaimana tepatnya ultrasound dapat diberikan, dan seberapa efektifnya dalam merusak virus dalam kompleksitas tubuh manusia, adalah di antara pertanyaan-pertanyaan utama yang harus dihadapi para ilmuwan di masa depan.

“Kami telah membuktikan bahwa di bawah eksitasi ultrasound, cangkang dan lonjakan virus korona akan bergetar, dan amplitudo getaran itu akan sangat besar, menghasilkan strain yang dapat mematahkan bagian tertentu dari virus, melakukan kerusakan yang terlihat pada kulit terluar dan kemungkinan kerusakan tak terlihat. ke RNA di dalamnya, “kata Tomasz Wierzbicki, profesor mekanika terapan di MIT. “Harapannya, makalah kami akan memulai diskusi lintas berbagai disiplin ilmu.”

Hasil tim muncul online di Journal of the Mechanics and Physics of Solids . Rekan penulis Wierzbicki adalah Wei Li, Yuming Liu, dan Juner Zhu di MIT.

Cangkang runcing

Ketika pandemi Covid-19 merebak di seluruh dunia, Wierzbicki berupaya berkontribusi pada pemahaman ilmiah tentang virus tersebut. Fokus kelompoknya adalah pada mekanika padat dan struktural, dan studi tentang bagaimana material dapat retak di bawah berbagai tekanan dan regangan. Dengan perspektif ini, dia bertanya-tanya apa yang bisa dipelajari tentang potensi patah tulang virus.

Tim Wierzbicki berangkat untuk mensimulasikan virus corona baru dan respons mekanisnya terhadap getaran. Mereka menggunakan konsep sederhana dari mekanika dan fisika zat padat untuk membangun model geometris dan komputasi dari struktur virus, yang mereka didasarkan pada informasi terbatas dalam literatur ilmiah, seperti gambar mikroskopis dari cangkang dan paku virus.

Dari penelitian sebelumnya, para ilmuwan telah memetakan struktur umum virus corona – keluarga virus yang HIV, influenza, dan jenis baru SARS-CoV-2. Struktur ini terdiri dari cangkang halus protein lipid, dan padat, reseptor seperti lonjakan menonjol dari cangkang.

Dengan geometri ini dalam pikiran, tim memodelkan virus sebagai cangkang elastis tipis yang ditutupi sekitar 100 paku elastis. Karena sifat fisik virus yang sebenarnya tidak pasti, para peneliti mensimulasikan perilaku struktur sederhana ini di berbagai elastisitas untuk cangkang dan paku.

“Kami tidak tahu sifat material dari paku karena sangat kecil – tingginya sekitar 10 nanometer,” kata Wierzbicki. “Yang lebih tidak diketahui adalah apa yang ada di dalam virus, yang tidak kosong tetapi diisi dengan RNA, yang dikelilingi oleh cangkang kapsid protein. Jadi pemodelan ini membutuhkan banyak asumsi.”

“Kami merasa yakin bahwa model elastis ini merupakan titik awal yang baik,” kata Wierzbicki. “Pertanyaannya adalah, tekanan dan tekanan apa yang akan menyebabkan virus pecah?”

Runtuhnya korona

Untuk menjawab pertanyaan itu, para peneliti memperkenalkan getaran akustik ke dalam simulasi dan mengamati bagaimana getaran tersebut menyebar melalui struktur virus di berbagai frekuensi ultrasound.

Tim memulai dengan getaran 100 megahertz, atau 100 juta siklus per detik, yang mereka perkirakan akan menjadi frekuensi getar alami cangkang, berdasarkan apa yang diketahui dari sifat fisik virus.

Ketika mereka mengekspos virus ke gelombang ultrasonik 100 MHz, getaran alami virus pada awalnya tidak dapat dideteksi. Tetapi dalam sepersekian milidetik getaran eksternal, beresonansi dengan frekuensi osilasi alami virus, menyebabkan cangkang dan paku melengkung ke dalam, mirip dengan bola yang lesung saat memantul dari tanah.

Saat para peneliti meningkatkan amplitudo, atau intensitas, getaran, cangkang bisa patah – sebuah fenomena akustik yang dikenal sebagai resonansi yang juga menjelaskan bagaimana penyanyi opera dapat memecahkan gelas anggur jika mereka bernyanyi pada nada dan volume yang tepat. Pada frekuensi yang lebih rendah dari 25 MHz dan 50 MHz, virus menekuk dan memecah lebih cepat, baik di lingkungan simulasi udara, dan air yang kepadatannya serupa dengan cairan di tubuh.

“Frekuensi dan intensitas ini berada dalam kisaran yang aman digunakan untuk pencitraan medis,” kata Wierzbicki.

Untuk menyempurnakan dan memvalidasi simulasi mereka, tim bekerja sama dengan ahli mikrobiologi di Spanyol, yang menggunakan mikroskop gaya atom untuk mengamati efek getaran ultrasound pada jenis virus corona yang ditemukan secara eksklusif pada babi. Jika ultrasound dapat secara eksperimental terbukti merusak virus korona, termasuk SARS-CoV-2, dan jika kerusakan ini terbukti memiliki efek terapeutik, tim membayangkan bahwa ultrasound, yang sudah digunakan untuk memecah batu ginjal dan melepaskan obat melalui liposom, mungkin dimanfaatkan untuk mengobati dan mungkin mencegah infeksi virus corona. Para peneliti juga membayangkan bahwa miniatur transduser ultrasound, yang dipasang ke ponsel dan perangkat portabel lainnya, mungkin mampu melindungi orang dari virus.

Wierzbicki menekankan bahwa masih banyak penelitian yang harus dilakukan untuk memastikan apakah USG dapat menjadi pengobatan yang efektif dan strategi pencegahan terhadap virus corona. Saat timnya bekerja untuk meningkatkan simulasi yang ada dengan data eksperimental baru, ia berencana untuk membidik mekanisme spesifik dari novel tersebut, virus SARS-CoV-2 yang bermutasi dengan cepat.

“Kami melihat keluarga virus corona secara umum, dan sekarang secara khusus melihat morfologi dan geometri Covid-19,” kata Wierzbicki. “Potensi adalah sesuatu yang bisa menjadi besar dalam situasi kritis saat ini.”