Personale på Berkeley Labs X-Ray-facilitet mobiliserer for at støtte COVID-19-relateret forskning

Røntgenstråler giver forskere mulighed for at kortlægge 3D-strukturen af ​​proteiner, der er relevante for sygdomme på skalaen af ​​molekyler og atomer, og Lawrence Berkeley National Laboratorys (Berkeley Labs) Advanced Light Source (ALS) røntgenfacilitet er blevet tilbagekaldt til handling for at støtte forskning relateret til COVID-19, coronavirus-sygdommen, der allerede har inficeret omkring 2 millioner mennesker rundt om i verden.

Et lille team af medarbejdere på ALS, som producerer stråler af røntgenstråler og andre typer lys for at understøtte en lang række eksperimenter for forskere fra hele verden, den 31. marts lancerede flere eksperimenter for andre videnskabsmænd, der fjernstyrede arbejdet.

På dette tidspunkt, kun godkendte COVID-19-relaterede eksperimenter er tilladt på ALS - de fleste medarbejdere og eksperimenter på ALS og Berkeley Lab er blevet sat på sidelinjen på grund af shelter-in-place ordrer, der har til formål at begrænse spredningen af ​​virussen.

En lille gruppe ALS-medarbejdere, der kører acceleratoren og sikrer sikker drift, har støttet arbejdet på stedet, siden eksperimenterne blev genoptaget.

De specielt godkendte ALS-eksperimenter - som blev godkendt af Berkeley Labs ledelse - er indtil videre blevet udført af individuelle forskere, der arbejder på separate forsøgssteder, kendt som beamlines, i ALS-faciliteten for at opretholde social distancering. Derudover arbejdere på stedet tager ekstra forholdsregler for sikkerheden, såsom regelmæssig desinficering af udstyr.

Intet af arbejdet involverer nogen levende prøver af SARS-CoV-2-virussen, der forårsager COVID-19. Prøverne inkluderer krystalliserede virale proteiner, der ikke kan forårsage infektion. Yderligere prøver, der skal analyseres, omfatter værtscelleproteiner, der kræves til infektion med virussen.

"Alle, jeg har talt med, har en 'alt' tilgang, " sagde Jay Nix, en deltager i de nye eksperimenter, som er beamline-direktør for Molecular Biology Consortium, som understøtter og driver en beamline ved ALS (Beamline 4.2.2) og er en laboratoriepartner og partner.

"Enhver idé er på bordet, " sagde Nix, herunder udforskning af formen og funktionen af ​​de spidse proteiner, der stikker ud af COVID-19-virussen i de nu allestedsnærværende farvelagte billeder, der vises på COVID-19-relaterede websteder og nyhedsartikler.

Strukturelle undersøgelser kan føre til lægemidler, der retter sig mod og angriber virussen, mens de efterlader andre vitale systemer intakte, for eksempel, eller som på anden måde kan forbedre kroppens forsvar mod virussen.

"Der er proteiner, der udgør virusstrukturen og en lang række andre, ikke-strukturelle proteiner, der hjælper med virusets infektionscyklus, " sagde Marc Allaire, en beamline-forsker ved ALS, der understøtter flere beamlines, der drives af Berkeley Center for Structural Biology. Centret modtager støtte fra deltagende medlemmer til dette arbejde, herunder fra en stor gruppe af medicinalvirksomheder på tværs af USA og internationalt.

Centret er en del af laboratoriets afdeling Molecular Biophysics and Integrated Bioimaging (MBIB), som er forbundet med alle beamlines og personale, der deltager i den indledende batch af godkendte COVID-19-relaterede eksperimenter.

De tidligste eksperimenter siden ALS genstartede brugte tre ALS-strålelinjer (strålelinjer 4.2.2, 5.0.1, og 5.0.2), der alle har specialiseret sig i makromolekylær krystallografi, en teknik til at lære 3D-strukturen af ​​proteiner, vira, og andre prøver ved at udstråle røntgenstråler i deres krystalliserede former.

Lys fra røntgenstrålerne, der rammer krystallerne, producerer mønstre, som computere derefter bearbejder til 3D-rekonstruktioner af prøverne.

"Jeg er glad for, at ALS er i stand til at bidrage til dette vigtige arbejde og gøre dets værktøjer tilgængelige for det biovidenskabelige forskningsmiljø, " sagde ALS-direktør Steve Kevan. "Jeg vil personligt takke vores strålelinjeforskere og driftspersonale for at arbejde sammen for at få dette til at ske under meget prøvende omstændigheder."

MBIB-direktør Paul Adams sagde, "Det er et vidnesbyrd om vigtigheden af ​​ALS for denne form for biomedicinsk forskning, at så mange grupper har anmodet om adgang til hjælp i deres bestræbelser på at imødegå COVID-19. Strålelinjerne, der blev brugt til krystallografiarbejdet, udviklede en 'hurtig respons'-kapacitet For flere år siden, med fjernadgang og automatiseret dataindsamling og analyse, og så var klar til at ramme jorden, da denne krise indtraf."

Arbejde, der er blevet godkendt på ALS, omfatter proprietære eksperimenter af flere farmaceutiske virksomheder:Schweiz-baserede Novartis, som har kontor i Emeryville, Californien; San Francisco-baserede Vir Biotechnology; og Canada-baserede IniXium, en lægemiddelopdagelseskontraktforskningsorganisation, der betjener den amerikanske biotekindustri.

Også i den første batch er krystallografiske eksperimenter udført af en gruppe forskere fra David Veeslers laboratorium, en lektor ved University of Washington. Det hold fokuserer på de spidse proteiner på overfladen af ​​COVID-19-virussen, som virussen bruger til at binde sig til og trænge ind i værtsceller, og hvordan man neutraliserer dem.

Et andet hold, ledet af Daved Fremont, professor ved Washington University i Saint Louis, vil sende krystalliserede prøver til ALS, ligesom et hold ledet af James Hurley, Judy C. Webb-formand og professor i biokemi, biofysik, og strukturel biologi ved UC Berkeley.

Hurley sagde, at tre strukturelle biologer i hans laboratorium arbejder på COVID-19-forskning:Tom Flower, Cosmo Buffalo, og Snow Ren. Forskerne "har en enorm erfaring med røntgenkrystallografi og kryo-elektronmikroskopi, "En anden teknik til at udforske biologiske prøver, han sagde.

"De er begyndt at arbejde på adskillige projekter for at karakterisere strukturer involveret i virusreplikation, med vægt på at forstå, hvordan virale proteiner interagerer med værtsproteiner og membraner, og om hurtig anvendelse af disse oplysninger til opdagelse af antivirale lægemidler i samarbejde med andre på campus, " han tilføjede.

Under aids-pandemien i 1980'erne, Hurley skiftede felter fra fysik til strukturel biologi. "Jeg så, hvordan strukturel biologi hjalp på en afgørende måde i skabelsen af ​​de HIV-antivirale midler, der gjorde AIDS til en behandlingsbar sygdom i stedet for en dødsdom. Den erfaring giver mig et perspektiv på, hvordan strukturel biologi kan hjælpe med at skabe nye antivirale midler, " han sagde.

Et hold ledet af Natalie Strynadka, en biokemiprofessor ved University of British Columbia i Canada, forventes også at sende krystalprøver til ALS-eksperimenter. Strynadka sagde, at hendes laboratorium samarbejder med et team i Vancouver, Canada, at identificere små molekylære inhibitorer, der bremser COVID-19's vigtigste virale protease (MPro), et enzym, der nedbryder proteiner til mindre former.

I beslægtet arbejde, hendes laboratorium arbejder med Pennsylvania-baserede Venatorx Pharmaceuticals og et team ledet af David Baker ved University of Washington for at identificere MPro-hæmmere. "Forståelse af, hvor og hvordan disse inhibitorer binder til MPro ved hjælp af røntgenkrystallografi, vil være nøglen til at vejlede videre udvikling, " hun sagde.

Ralf Bartenschlager, en virolog og professor ved Heidelberg Universitet i Tyskland, vil sende prøver af COVID-19-inficerede celler, gjort inaktiv, til undersøgelse ved hjælp af en teknik kendt som blød røntgentomografi. I dette samarbejde Målet er at afdække, hvordan infektion med SARS-CoV-2-virus ændrer strukturen og organisationen af ​​inficerede celler, med det langsigtede mål at identificere virale og cellulære mål, der er forstyrret af infektion, og som er egnede til antiviral terapi. Eksperimentet vil blive overvåget af laboratoriets Carolyn Larabell, også professor ved UC San Francisco og direktør for National Center for X-ray Tomography, som udvikler billedteknologier til biologisk og biomedicinsk forskning.

ALS beder også forskersamfundet om at indsende andre forslag til COVID-19-relaterede eksperimenter, sagde Nix.

ALS og Berkeley Labs ledelse overvejer, om de skal åbne op for yderligere røntgenfunktioner, såsom småvinklet røntgenspredning (SAXS) og vidvinkel røntgenspredning, som muliggør højhastighedskarakterisering af biologiske prøver, der kan være i en mere naturlig form end nogle andre teknikker tillader.

Greg Hura, en MBIB-forsker og adjungeret professor ved UC Santa Cruz, som driver SIBYLS (Structurally Integrated BiologY for the Life Sciences) Beamline 12.3.1 ved ALS, der udfører SAXS-eksperimenter, sagde, "SIBYLS kan også spille en rolle i et multi-teknologisk og multinationalt laboratoriekonsortium for at visualisere de potentielle svagheder ved COVID-19-virussen, og hjælpe med at udvikle ny diagnostik."

Han tilføjede, "Virale genomer (DNA-sekvenser) er små, men de store molekyler, de koder for, er transformere, der kan adoptere mange funktioner i forskellige sammenhænge. SAXS giver mulighed for at studere disse systemer i de mange sammenhænge, ​​de kan være målrettet mod, og kan identificere de tilstande, der er mest modtagelige for at se dem i højere opløsning."

Nix bemærkede, at Beamline 4.2.2, som han driver, og nogle andre beamlines ved ALS bruger robotiske prøveleveringssystemer, så når de er fyldt med prøver, eksperimenter kan stort set fungere via fjernbetjening.

"Jeg har ikke haft en bruger på stedet i over 5 år, " han sagde.

Det krævede en holdindsats, fra ALS-ledere og personale til Berkeley Lab-ledelse, at få den COVID-19-relaterede forskning til at ske, Nix bemærkede. "De arbejdede, selv før lyset gik ud, ' på laboratoriet, for at se, hvad vi kunne gøre."

Han bemærkede også, at en række forskellige kilder til forskningsfinansiering gør dette arbejde muligt. "Det er offentligt, privat, og regeringsstøtte alle sammen, hvilket er rigtig dejligt at se, " han sagde.