Leder efter skjulte tilstande af COVID-19 spike-proteinet

Den virus, der skaber kaos på vores liv, er en effektiv infektionsmaskine. Består kun af 29 proteiner (sammenlignet med vores 400, 000), med et genom 1/200, 000 på størrelse med vores, SARS-CoV-2 er ekspertudviklet til at narre vores celler til at bidrage med dets maskineri til at hjælpe med dens udbredelse.

I de sidste par måneder, forskere har lært meget om mekanikken i denne tankeløse fjende. Men det, vi har lært, blegner stadig i forhold til det, vi ikke ved.

Der er en række måder, forskere afdækker virussens virke på. Kun ved at bruge disse metoder i tandem kan vi finde og udnytte coronavirus's svage pletter, siger Ahmet Yildiz, lektor i fysik og molekylær cellebiologi ved University of California, Berkeley.

Yildiz og hans samarbejdspartner Mert Gur ved Istanbul Technical University kombinerer supercomputer-drevne molekylære dynamiksimuleringer med enkeltmolekyleeksperimenter for at afdække virusets hemmeligheder. I særdeleshed, de studerer dets spike (S) protein, den del af virussen, der binder sig til menneskelige celler og begynder processen med at indsætte viralt RNA i cellen.

"Mange grupper angriber forskellige stadier af denne proces, "Gur sagde." Vores oprindelige mål er at bruge molekylær dynamiksimuleringer til at identificere de processer, der sker, når virussen binder sig til værtscellen. "

Der er tre kritiske faser, der gør det muligt for spike -proteinet at bryde ind i cellen og begynde at replikere, Siger Yildiz.

Først, Spike -proteinet skal transformeres fra en lukket konfiguration til en åben konfiguration. Sekund, piggen protein binder til dets receptor på ydersiden af ​​vores celler. Denne binding udløser en konformationsændring i spike -proteinet og tillader et andet humant protein at spalte piggen. Endelig, den nyligt eksponerede overflade af piggen interagerer med værtscellemembranen og gør det muligt for viralt RNA at komme ind og kapre cellen.

I begyndelsen af ​​februar, elektronmikroskopbilleder afslørede strukturen af ​​piggproteinet. Men snapshots viste kun de vigtigste konfigurationer, som proteinet tager, ikke overgangen, mellem trin. "Vi ser kun øjebliksbilleder af stabile konformationer, "Sagde Yildiz." Fordi vi ikke kender tidspunktet for hændelser, der tillader proteinet at gå fra en stabil konformation til den næste, vi kender endnu ikke disse mellemliggende konformationer. "

Det er her computermodellering kommer ind. Mikroskopbillederne er et nyttigt udgangspunkt for at skabe modeller af hvert atom i proteinet, og dets miljø (vand, ioner, og cellens receptorer). Derfra, Yildiz og Gur satte proteinet i gang og så på, hvad der skete.

"Vi viste, at S -proteinet besøger en mellemliggende tilstand, før det kan lægge til ved receptorproteinet på værtscellemembranen," sagde Gur. "Denne mellemliggende tilstand kan være nyttig til lægemiddelmålretning for at forhindre, at S -proteinet starter virusinfektion."

Mens mange andre grupper rundt om i verden undersøger virusets bindingslomme, håber på at finde et lægemiddel, der kan blokere virussen fra at blive klemt på menneskelige celler, Yildiz og Gur tager en mere nuanceret tilgang.

"Spike -proteinet binder stærkt til dets receptor med et komplekst interaktionsnetværk, "Forklarede Yildiz." Vi viste, at hvis du bare bryder en af ​​disse interaktioner, du vil stadig ikke kunne stoppe bindingen. Derfor giver nogle af de grundlæggende undersøgelser af lægemiddeludvikling muligvis ikke de ønskede resultater. "

Men hvis det er muligt at forhindre, at piggproteinet går fra en lukket til åben tilstand - eller en tredjedel, imellem tilstand, som vi ikke engang er klar over i den åbne tilstand-der måske egner sig til en behandling.

Find, og gå i stykker, de vigtige bindinger

Den anden brug af computersimuleringer af Yildiz og Gur identificerede ikke bare nye tilstande, men de specifikke aminosyrer, der stabiliserer hver tilstand.

"Hvis vi kan bestemme de vigtige forbindelser på det enkelte aminosyreniveau - hvilke interaktioner stabiliserer og er kritiske for disse bekræftelser - kan det være muligt at målrette mod disse tilstande med små molekyler, "Sagde Yildiz.

Simulering af denne adfærd på atomets niveau eller den enkelte aminosyre er utrolig beregningsmæssigt intensiv. Yildiz og Gur fik tid på Stampede2-supercomputeren i Texas Advanced Computing Center (TACC)-den næsthurtigste supercomputer på et amerikansk universitet og den 19. hurtigste samlet set-gennem COVID-19 HPC-konsortiet. Simulering af et mikrosekund af virussen og dens interaktioner med menneskelige celler - cirka en million atomer i alt - tager uger på en supercomputer ... og ville tage år uden en.

"Det er en beregningsmæssigt krævende proces, "Sagde Yildiz." Men denne tilgangs forudsigelseskraft er meget kraftfuld. "

Yildiz og Gur team, sammen med cirka 40 andre forskningsgrupper, der studerer COVID-19, har fået prioriteret adgang til TACC -systemer. "Vi er ikke begrænset af den hastighed, hvormed simuleringerne sker, så der er en real-time race mellem vores evne til at køre simuleringer og analysere dataene. "

Med tiden af ​​essensen, Gur og hans samarbejdspartnere har gennemgået beregninger, genopførelse af atomprægrineringerne af spike-proteinet, når det nærmer sig, binder sig til, og interagerer med angiotensin-konverterende enzym 2 (ACE2) -receptorer-proteiner, der beklæder overfladen af ​​mange celletyper.

Deres første fund, som foreslog eksistensen af ​​en mellemliggende halvåben tilstand af S-proteinet, der er kompatibelt med RBD-ACE2-binding via all-atom molekylær dynamik (MD) simuleringer, blev offentliggjort i Journal of Chemical Physics .

Desuden, ved at udføre alle-atom MD-simuleringer, de identificerede et udvidet netværk af saltbroer, hydrofobe og elektrostatiske interaktioner, og hydrogenbinding mellem det receptorbindende domæne af piggproteinet og ACE2. Resultaterne af disse fund blev offentliggjort i BioRxiv.

At mutere resterne på det receptorbindende domæne var ikke tilstrækkeligt til at destabilisere bindingen, men reducerede det gennemsnitlige arbejde for at afbinde spike-proteinet fra ACE2. De foreslår, at blokering af dette sted via neutraliserende antistof eller nanobody kan vise sig at være en effektiv strategi til at hæmme interaktioner mellem protein-ACE2.

For at bekræfte, at den computerafledte indsigt er nøjagtig, Yildiz 'team udførte laboratorieforsøg ved hjælp af enkeltmolekylær fluorescensresonans energioverførsel (eller smFRET) - en biofysisk teknik, der bruges til at måle afstande på en til 10 nanometer skalaen i enkelte molekyler

"Teknikken giver os mulighed for at se proteinets konformationsændringer ved at måle energioverførslen mellem to lysemitterende sonder, "Sagde Yildiz.

Selvom forskere stadig ikke har en teknik til at se atomdetaljerne for molekyler i bevægelse i realtid, kombinationen af ​​elektronmikroskopi, enkeltmolekylebilleddannelse, og computersimuleringer kan give forskere et rigt billede af virusets adfærd, Siger Yildiz.

"Vi kan få atomopløsningsbilleder af frosne molekyler ved hjælp af elektronmikroskopi. Vi kan få atomniveau-simuleringer af proteinet i bevægelse ved hjælp af molekylær dynamik i en kort tidsskala. Og ved hjælp af enkeltmolekylteknikker kan vi udlede den dynamik, der mangler fra elektron mikroskopi og simuleringer, "Konkluderede Yildiz." Ved at kombinere disse metoder giver vi det fulde billede og dissekerer mekanismen for en virus, der kommer ind i værtscellen. "