Stampede2, Bridges-simuleringer viser svage punkter i ebola-virusnukleocapsid

Midt i en global pandemi med COVID-19, det er svært at forstå, hvor heldige de uden for Afrika har været for at undgå den dødelige ebola-virussygdom. Det invaliderer sine ofre kort efter infektion med massiv opkastning eller diarré, fører til død af væsketab hos omkring 50 procent af de ramte. Ebola-virussen smitter kun gennem kropsvæsker, markerer en vigtig forskel fra COVID-19-virussen og en, der har hjulpet med at begrænse ebolas spredning.

Ebola-udbrud fortsætter med at blusse op i Vestafrika, selvom en vaccine udviklet i december 2019 og forbedringer i pleje og indeslutning har hjulpet med at holde ebola i skak. Supercomputer-simuleringer fra et team fra University of Delaware, der inkluderede en bachelor, understøttet af XSEDE EMPOWER-programmet, tilføjer blandingen og hjælper med at knække forsvaret af ebolas oprullede genetiske materiale. Denne nye forskning kan hjælpe med at føre til gennembrud inden for behandling og forbedrede vacciner mod ebola og andre dødelige virussygdomme såsom COVID-19.

"Vores vigtigste resultater er relateret til stabiliteten af ​​ebola-nukleokapsiden, " sagde Juan R. Perilla, en adjunkt i afdelingen for kemi og biokemi ved University of Delaware. Perilla var medforfatter til en undersøgelse offentliggjort i oktober 2020 i AIP Journal of Chemistry Physics . Det fokuserede på nukleokapsiden, en proteinskal, der beskytter mod kroppens forsvar, det genetiske materiale, som ebola bruger til at replikere sig selv.

"Det, vi har fundet, er, at ebola-virussen har udviklet sig til at regulere stabiliteten af ​​nukleocapsidet ved at danne elektrostatiske interaktioner med dets RNA, dets genetiske materiale, " sagde Perilla. "Der er et samspil mellem RNA'et og nukleokapsiden, der holder det sammen."

Ligesom coronavirus, Ebola-virussen er afhængig af en stavlignende og spiralformet nukleocapsid for at fuldføre sin livscyklus. I særdeleshed, strukturelle proteiner kaldet nukleoproteiner samles i et spiralformet arrangement for at indkapsle det enkeltstrengede virale RNA-genom (ssRNA), der danner nukleokapsiden.

Undersøgelsen af ​​Perilla og hans videnskabsteam søgte de molekylære determinanter for nukleocapsidstabiliteten, såsom hvordan det genetiske ssRNA-materiale er pakket, systemets elektrostatiske potentiale, og restarrangementet i den spiralformede samling. Denne viden er essentiel for at udvikle nye terapier mod ebola. Alligevel forbliver disse indsigter uden for rækkevidde, selv af verdens bedste eksperimentelle laboratorier. Computersimuleringer, imidlertid, kunne og udfyldte det hul.

"Du kan tænke på simuleringsarbejde som en teoretisk forlængelse af eksperimentelt arbejde, " sagde studie medforfatter Tanya Nesterova, en bachelor forsker i Perilla Lab. "Vi fandt ud af, at RNA er meget negativt ladet og hjælper med at stabilisere nukleokapsiden gennem elektrostatisk interaktion med de for det meste positivt ladede nukleoproteiner, " hun sagde.

Nesterova blev tildelt finansiering gennem en XSEDE Expert Mentoring Producing Opportunities for Work, Uddannelse, og forsknings (EMPOWER) stipendium i 2019, som understøtter bachelorer, deltage i XSEDEs faktiske arbejde.

"Det var et effektivt program, " sagde hun. "Vi brugte beregningsressourcer som Bridges denne sommer. Vi havde også regelmæssig kommunikation med koordinatoren for at holde vores fremskridt på sporet."

Holdet udviklede en molekylær dynamik-simulering af ebola-nukleokapsiden, et system, der indeholder 4,8 millioner atomer. De brugte kryo-elektronmikroskopi-strukturen af ​​ebola-virussen offentliggjort i Nature i oktober 2018 til deres data ved opbygningen af ​​modellen.

"Vi byggede to systemer, " sagde studie medforfatter Chaoyi Xu, en ph.d. studerende i Perilla Lab. "Det ene system er ebola-nukleokapsiden med RNA'et. Og det andet er bare nukleokapsiden som en kontrol."

"Efter at vi byggede hele røret, vi sætter hvert nukleocapsid i et miljø, der ligner cellen, " forklarede Xu. De tilsatte grundlæggende natriumchloridioner, og justerede derefter koncentrationen til at matche den, der findes i cytoplasmaet. De satte også en vandkasse inde omkring nukleokapsiden. "Og så kørte vi en meget kraftfuld simulering, " tilføjede Xu.

Det NSF-finansierede Extreme Science and Engineering Discovery Environment (XSEDE) tildelte teamet supercomputing-allokeringer på Stampede2-systemet ved Texas Advanced Computing Center og Bridges-systemet i Pittsburgh Supercomputing Center.

"Vi er meget taknemmelige for supercomputerressourcerne leveret af XSEDE, der gjorde det muligt for dette arbejde at være muligt. XSEDE leverede også træning gennem onlinekurser, der var nyttige, " sagde Xu.

"På Stampede2, vi har adgang til at køre simuleringer på hundredvis eller endda tusindvis af noder, " Xu fortsatte. "Dette gør det muligt for os at køre simuleringer af større systemer, for eksempel, ebola-nukleokapsiden. Denne simulering er umulig at afslutte lokalt. Det er meget vigtigt, " han sagde.

"Jeg kan godt lide hvordan med Bridges, når du kører en simulering, du kan være opdateret på, hvornår den er færdig, og hvornår den startede, " tilføjede Nesterova. Hun sagde, at det var nyttigt til at skabe Slurm-scripts, som hjælper med at administrere og planlægge job på computerklynger.

"Vi er lige begyndt at bruge Frontera til ebola-projektet, " tilføjede Xu. Frontera er NSFs flagskibs Tier 1-system hos TACC, rangeret #9 i verden af ​​Top500. "Den er mere kraftfuld, fordi den har den nyeste CPU-arkitektur. Og den er meget hurtig, " han sagde.

"Frontera er en del af TACC-infrastrukturen, " sagde Perilla. "Vi vidste, hvilke udviklingsværktøjer der ville være der, og også køsystemet og andre forviklinger ved disse maskiner. Det hjalp meget. Med hensyn til arkitektur, vi er bekendt med Stampede2, selvom dette er en anden maskine. Vores erfaring med Stampede2 gjorde det muligt for os at gå hurtigt for at begynde at bruge Frontera, " han sagde.

Videnskabsholdet simulerede interaktionen mellem atomerne i ebola-virusnukleokapsiden og målte, hvordan de ændrer sig over tid, giver nyttig information om de atomare interaktioner. En af de ting, de fandt, var, at uden RNA, Ebola-virusnukleokapsiden beholdt sin rørlignende form. Men pakningen af ​​nukleoproteinmonomererne blev uordnet, og dens spiralformede symmetri gik tabt. Med RNA, den beholdt sin helix. Deres resultater viste, at RNA-bindingen stabiliserede helixen og bevarede strukturen af ​​ebola-virusnukleocapsidet.

Holdet fandt også vigtige interaktioner mellem nukleoproteinresterne og ssRNA, og også interaktioner mellem to nukleoproteiner.

"Der er to slags grænseflader mellem parrene af nukleoproteiner, der danner det spiralformede arrangement. Vi fandt ud af, hvilke af disse grænseflader, der spiller en vigtigere rolle. Vi kan enten målrette den grænseflade for at destabilisere det spiralformede arrangement eller stabilisere det spiralformede arrangement i vid udstrækning. sådan at virusnukleocapsidet ikke er i stand til at adskilles, " sagde undersøgelsens medforfatter Nidhi Katyal, en postdoc-forsker i Perilla Lab.

Ebola-virussen er en hård organisme, fordi den nøje regulerer sin makromolekylære samling. Perilla foreslog, at i stedet for at forsøge at udtænke lægemidler, der ødelægger nukleokapsiden, en god strategi kan være at gøre det modsatte.

"Hvis du gør det for stabilt, det er nok til at dræbe virussen, " sagde han. Lånte en strategi fra hans baggrund i HIV-forskning, han ønsker at finde mål for lægemidler til at overstabilisere ebola-virussen og forhindre den i at frigive sit genetiske materiale, et nøgletrin i dets replikering.

Perilla foreslog en lignende strategi for andre patogener, der er stramt reguleret, såsom coronavirus og hepatitis B-virus. "De er et sødt sted, så at sige. Vi ved, hvad der giver stabilitet. Andre hold kan se om dette måske er et godt stof, der kan bruges til at gøre det hypostabelt eller gøre det hyperstabilt, " sagde Perilla.

Ser frem til, Perilla indikerede, at hans laboratorium vil se nærmere på detaljerne i ssRNA-sekvensen, og om det giver stabilitet til Ebola-virusnukleocapsidrøret. Hvis det gør, så kan nogle områder blive eksponeret og måske blive transskriberet først, svarende til, hvad der sker i cellens kerne. Perilla sagde, at det ville være "uhørt i en virus, "og ekstremt avanceret adfærd med hensyn til RNA-regulerende transkription.

Perilla sagde:"Vi ved, at der vil være flere patogener, der bare bliver ved med at komme, især med coronavirus nu, og de kan stoppe verden. Det er gavnligt for samfundet at have evnen til at studere ikke kun én virus, men ved at bruge disse teknikker til at studere en ny virus, noget som coronavirus. Ud over, evnen til at træne nye studerende, ligesom Tanya, giver skatteyderne deres penge værd i form af uddannelse af næste generation, overførsel af viden fra andre vira, og bekæmpe de nuværende problemer."