Met röntgenstralen kunnen onderzoekers de 3D-structuur van eiwitten die relevant zijn voor ziekten in kaart brengen op de schaal van moleculen en atomen, en Lawrence Berkeley National Laboratory's (Berkeley Lab's) Advanced Light Source (ALS) röntgenfaciliteit is teruggeroepen voor actie ter ondersteuning van onderzoek met betrekking tot COVID-19, de coronavirusziekte die al ongeveer 2 miljoen mensen over de hele wereld heeft besmet.

Een klein team van medewerkers van de ALS, die bundels röntgenstralen en andere soorten licht produceert ter ondersteuning van een breed scala aan experimenten voor onderzoekers van over de hele wereld, op 31 maart lanceerden verschillende experimenten voor andere wetenschappers die het werk op afstand bestuurden.

Momenteel, alleen goedgekeurde COVID-19-gerelateerde experimenten zijn toegestaan ​​bij ALS - de meeste medewerkers en experimenten bij het ALS en Berkeley Lab zijn buitenspel gezet vanwege onderdak-in-place orders die bedoeld zijn om de verspreiding van het virus te beperken.

Een kleine groep ALS-medewerkers die het gaspedaal bedienen en zorgen voor veilige operaties, hebben het werk ter plaatse ondersteund sinds de experimenten zijn hervat.

De speciaal goedgekeurde ALS-experimenten - die werden goedgekeurd door de leiding van Berkeley Lab - zijn tot nu toe uitgevoerd door individuele wetenschappers die op afzonderlijke experimentele locaties werken, bekend als bundellijnen, in de ALS-faciliteit om de sociale afstand te bewaren. Aanvullend, medewerkers ter plaatse nemen extra voorzorgsmaatregelen voor de veiligheid, zoals het regelmatig ontsmetten van apparatuur.

Bij geen van de werkzaamheden zijn levende monsters betrokken van het SARS-CoV-2-virus dat COVID-19 veroorzaakt. De monsters bevatten gekristalliseerde virale eiwitten die geen infectie kunnen veroorzaken. Aanvullende te analyseren monsters omvatten gastheerceleiwitten die nodig zijn voor infectie door het virus.

"Iedereen met wie ik heb gesproken, hanteert een 'alles'-benadering, " zei Jay Nix, een deelnemer aan de nieuwe experimenten die beamline-directeur is voor het Molecular Biology Consortium, die een bundellijn ondersteunt en exploiteert bij de ALS (Beamline 4.2.2) en een lab-filiaal en -partner is.

"Elk idee ligt op tafel, "Nix zei, inclusief verkenningen van de vorm en functie van de stekelige eiwitten die uit het COVID-19-virus steken in de nu alomtegenwoordige gekleurde afbeeldingen die worden weergegeven op COVID-19-gerelateerde websites en nieuwsartikelen.

Structurele studies kunnen leiden tot medicijnen die zich richten op het virus en het aanvallen, terwijl andere vitale systemen intact blijven. bijvoorbeeld, of die op een andere manier de afweer van het lichaam tegen het virus kan verbeteren.

"Er zijn eiwitten die de virusstructuur vormen en een groot aantal andere, niet-structurele eiwitten die helpen bij de infectiecyclus van het virus, " zei Marc Allaire, een beamline-wetenschapper bij de ALS die verschillende beamlines ondersteunt die worden beheerd door het Berkeley Center for Structural Biology. Het centrum krijgt hiervoor steun van de deelnemende leden, waaronder van een grote groep farmaceutische bedrijven in de VS en internationaal.

Het centrum maakt deel uit van de divisie Molecular Biophysics and Integrated Bioimaging (MBIB) van het Lab, die is verbonden met alle bundellijnen en medewerkers die deelnemen aan de eerste reeks goedgekeurde COVID-19-gerelateerde experimenten.

De vroegste experimenten sinds de herstart van ALS gebruikten drie ALS-bundellijnen (bundellijnen 4.2.2, 5.0.1, en 5.0.2) die allemaal gespecialiseerd zijn in macromoleculaire kristallografie, een techniek om de 3D-structuur van eiwitten te leren, virussen, en andere monsters door röntgenstralen naar hun gekristalliseerde vorm te stralen.

Het licht van de röntgenstralen dat op de kristallen valt, produceert patronen die computers vervolgens verwerken tot 3D-reconstructies van de monsters.

"Ik ben blij dat ALS kan bijdragen aan dit belangrijke werk en zijn instrumenten beschikbaar kan stellen aan de onderzoeksgemeenschap van biowetenschappen, "Zei ALS-directeur Steve Kevan. "Persoonlijk wil ik onze beamline-wetenschappers en operationeel personeel bedanken voor hun samenwerking om dit onder zeer moeilijke omstandigheden mogelijk te maken."

MBIB-directeur Paul Adams zei:"Het is een bewijs van het belang van ALS voor dit soort biomedisch onderzoek dat zoveel groepen toegang hebben gevraagd om te helpen bij hun inspanningen om COVID-19 aan te pakken. De bundellijnen die worden gebruikt voor het kristallografiewerk ontwikkelden een 'snelle respons'-capaciteit een aantal jaar geleden, met toegang op afstand en geautomatiseerde gegevensverzameling en -analyse, en waren dus klaar om van start te gaan toen deze crisis zich voordeed."

Het werk dat is goedgekeurd bij de ALS omvat eigen experimenten door verschillende farmaceutische bedrijven:Novartis, gevestigd in Zwitserland, die een kantoor heeft in Emeryville, Californië; Vir Biotechnologie uit San Francisco; en het in Canada gevestigde IniXium, een contractonderzoeksorganisatie voor het ontdekken van geneesmiddelen die de Amerikaanse biotech-industrie bedient.

Ook in de eerste batch zijn kristallografie-experimenten door een groep onderzoekers van het lab van David Veesler, een universitair hoofddocent aan de Universiteit van Washington. Dat team richt zich op de stekelige eiwitten op het oppervlak van het COVID-19-virus, die het virus gebruikt om te binden aan gastheercellen en deze binnen te gaan, en hoe ze te neutraliseren.

Een andere ploeg, onder leiding van Daved Fremont, een professor aan de Washington University in Saint Louis, zal gekristalliseerde monsters naar de ALS sturen, net als een team onder leiding van James Hurley, de Judy C. Webb-leerstoel en hoogleraar biochemie, biofysica, en structurele biologie aan UC Berkeley.

Hurley zei dat drie structurele biologen in zijn laboratorium werken aan COVID-19-onderzoek:Tom Flower, Kosmo Buffel, en Sneeuw Ren. De onderzoekers "hebben enorm veel ervaring met röntgenkristallografie en cryo-elektronenmicroscopie, " een andere techniek om biologische monsters te onderzoeken, hij zei.

"Ze zijn begonnen aan verschillende projecten om structuren te karakteriseren die betrokken zijn bij virusreplicatie, met de nadruk op het begrijpen hoe virale eiwitten interageren met gastheereiwitten en membranen, en over de snelle toepassing van deze informatie bij de ontdekking van antivirale geneesmiddelen in samenwerking met anderen op de campus, " hij voegde toe.

Tijdens de aids-pandemie van de jaren tachtig Hurley schakelde over van natuurkunde naar structurele biologie. "Ik zag hoe structurele biologie op een cruciale manier hielp bij het creëren van de hiv-antivirale middelen die aids tot een behandelbare ziekte maakten in plaats van een doodvonnis. Die ervaring geeft me een perspectief op hoe structurele biologie kan helpen bij het creëren van nieuwe antivirale middelen, " hij zei.

Een team onder leiding van Natalie Strynadka, een professor in de biochemie aan de Universiteit van British Columbia in Canada, zal naar verwachting ook kristalmonsters verzenden voor ALS-experimenten. Strynadka zei dat haar lab samenwerkt met een team in Vancouver, Canada, om kleine moleculaire remmers te identificeren die de belangrijkste virale protease (MPro) van COVID-19 vertragen, een enzym dat eiwitten afbreekt in kleinere vormen.

In verwant werk, haar laboratorium werkt samen met het in Pennsylvania gevestigde Venatorx Pharmaceuticals en een team onder leiding van David Baker van de Universiteit van Washington om MPro-remmers te identificeren. "Begrijpen waar en hoe deze remmers binden aan MPro met behulp van röntgenkristallografie zal van cruciaal belang zijn bij het begeleiden van verdere ontwikkeling, " ze zei.

Ralf Bartenschlager, een viroloog en professor aan de Universiteit van Heidelberg in Duitsland, zal monsters sturen van met COVID-19 geïnfecteerde cellen, inactief gemaakt, voor studie met behulp van een techniek die bekend staat als zachte röntgentomografie. In deze gezamenlijke inspanning het doel is om te ontrafelen hoe infectie door het SARS-CoV-2-virus de structuur en organisatie van geïnfecteerde cellen verandert, met het langetermijndoel om virale en cellulaire doelwitten te identificeren die door infectie zijn verstoord en die geschikt zijn voor antivirale therapie. Het experiment staat onder toezicht van Carolyn Larabell, de labrador, ook een professor aan UC San Francisco en directeur van het National Center for X-ray Tomography, die beeldvormingstechnologieën ontwikkelt voor biologisch en biomedisch onderzoek.

De ALS vraagt ​​de onderzoeksgemeenschap ook om andere voorstellen in te dienen voor COVID-19-gerelateerde experimenten, zei Nix.

ALS en het leiderschap van Berkeley Lab overwegen of ze aanvullende röntgenmogelijkheden willen openen, zoals kleine-hoek röntgenverstrooiing (SAXS) en groothoek röntgenverstrooiing, die snelle karakterisering van biologische monsters mogelijk maakt die in een meer natuurlijke vorm kunnen zijn dan sommige andere technieken toestaan.

Greg Hoera, een MBIB-onderzoeker en universitair hoofddocent aan UC Santa Cruz die de SIBYLS (Structurally Integrated BiologY for the Life Sciences) Beamline 12.3.1 bij de ALS beheert die SAXS-experimenten uitvoert, zei, "SIBYLS kan ook een rol spelen in een multi-technisch en multinationaal laboratoriumconsortium om de potentiële zwakheden van het COVID-19-virus in beeld te brengen, en helpen bij het ontwikkelen van nieuwe diagnostiek."

Hij voegde toe, "Virale genomen (DNA-sequenties) zijn klein, maar de grote moleculen waarvoor ze coderen, zijn transformatoren die veel functies in verschillende contexten kunnen aannemen. SAXS biedt een manier om deze systemen te bestuderen in de vele contexten waarop ze kunnen worden gericht, en kan de staten identificeren die het meest geschikt zijn om ze met een hogere resolutie te bekijken."

Nix merkte op dat Beamline 4.2.2, die hij opereert, en sommige andere bundellijnen bij de ALS gebruiken robotachtige systemen voor het afleveren van monsters, zodat als ze eenmaal gevuld zijn met monsters, experimenten kunnen grotendeels via afstandsbediening worden uitgevoerd.

"Ik heb al meer dan 5 jaar geen gebruiker op locatie gehad, " hij zei.

Het kostte een teamprestatie, van ALS-managers en -personeel tot Berkeley Lab-leiderschap, om het COVID-19-gerelateerde onderzoek mogelijk te maken, merkte Nix op. "Ze waren aan het werk, zelfs voordat de 'lichten uitgingen, ' bij het laboratorium, om te zien wat we kunnen doen."

Hij merkte ook op dat verschillende bronnen van onderzoeksfinanciering dit werk mogelijk maken. "Het is openbaar, privaat, en overheidssteun allemaal samenkomen, wat erg leuk is om te zien, " hij zei.