Een team van onderzoekers van de nationale laboratoria Oak Ridge en Argonne van het Department of Energy heeft de eerste röntgenmetingen bij kamertemperatuur uitgevoerd op het SARS-CoV-2-hoofdprotease - het enzym dat het virus in staat stelt zich te reproduceren.

De röntgenmetingen markeren een belangrijke eerste stap in het uiteindelijke doel van de onderzoekers om een ​​uitgebreid 3D-model van het enzymatische eiwit te bouwen. Het model zal worden gebruikt om supercomputersimulaties vooruit te helpen die zijn gericht op het vinden van medicijnremmers om het replicatiemechanisme van het virus te blokkeren en de COVID-19-pandemie te helpen beëindigen. Hun onderzoeksresultaten zijn openbaar beschikbaar en zijn gepubliceerd in het tijdschrift Natuurcommunicatie .

SARS-CoV-2 is het virus dat de ziekte COVID-19 veroorzaakt. Het virus reproduceert door lange ketens van eiwitten tot expressie te brengen die door het protease-enzym in kleinere lengtes moeten worden gesneden.

"De protease is onmisbaar voor de levenscyclus van het virus. Het eiwit heeft de vorm van een valentijnshart, maar het is echt het hart van het virus waardoor het zich kan vermenigvuldigen en verspreiden. Als u de protease remt en het hart stopt, het virus kan niet de eiwitten produceren die essentieel zijn voor de replicatie ervan. Daarom wordt de protease als zo'n belangrijk doelwit voor medicijnen beschouwd, " zei ORNL's Andrey Kovalevsky, Corresponderende auteur. Hoewel de structuur bekend is van cryogeen geconserveerde kristallen, "Dit is de eerste keer dat de structuur van dit enzym is gemeten bij kamertemperatuur, wat belangrijk is omdat het in de buurt van de fysiologische temperatuur is waar de cellen werken."

Het bouwen van een compleet model van de eiwitstructuur vereist het identificeren van elk element binnen de structuur en hoe ze zijn gerangschikt. Röntgenstralen zijn ideaal voor het detecteren van zware elementen zoals koolstof, stikstof- en zuurstofatomen. Vanwege de intensiteit van de röntgenstralen bij de meeste grootschalige synchrotronfaciliteiten, biologische monsters moeten doorgaans cryogeen worden ingevroren tot ongeveer 100 K, of ongeveer min 280 graden Fahrenheit, om de straling lang genoeg te weerstaan ​​om gegevens te verzamelen.

Om de levensduur van de gekristalliseerde eiwitmonsters te verlengen en ze bij kamertemperatuur te meten, ORNL-onderzoekers groeiden kristallen die groter waren dan vereist voor synchrotron-cryo-onderzoeken en gebruikten een interne röntgenmachine met een minder intense straal.

"Het kweken van eiwitkristallen en het verzamelen van gegevens is een vervelend en tijdrovend proces. In de tijd die nodig is om het monster voor te bereiden en naar een synchrotron te verzenden, we waren in staat om de kristallen te laten groeien, neem de metingen en begin met het analyseren van de gegevens, " zei Daniel Kneller van ORNL, de eerste auteur van de studie. "En, wanneer er een pandemie is waarbij veel wetenschappers zich mobiliseren om dit probleem te bestuderen, er is geen dag over."

Het protease-enzym bestaat uit ketens van aminozuren met een herhalend patroon van stikstof-koolstof-koolstofatomen die de ruggengraat van het eiwit vormen. Zijgroepen van de aminozuurbouwstenen, of "resten, " strekken zich uit van elk van de centrale koolstofatomen in de ruggengraat. Het enzym wordt in een specifieke 3D-vorm gevouwen, het creëren van speciale zakken waar een medicijnmolecuul zich zou hechten.

De studie bracht significante structurele verschillen aan het licht tussen de oriëntaties van de ruggengraat en sommige van de residuen in de kamertemperatuur en cryogene monsters. Het onderzoek suggereert dat het bevriezen van de kristallen structurele artefacten kan introduceren die zouden kunnen resulteren in een minder nauwkeurig begrip van de proteasestructuur.

De resultaten van het team worden gedeeld met onderzoekers, onder leiding van ORNL-University of Tennessee Governor's Chair Jeremy Smith, die simulaties van drugsdocking uitvoeren met behulp van Summit op ORNL, de snelste supercomputer van het land.

"Wat onderzoekers op Summit doen, is het nemen van bekende medicijnverbindingen en proberen ze rekenkundig te binden aan de belangrijkste protease voor herbestemming van medicijnen, evenals het zoeken naar nieuwe aanknopingspunten voor andere potentiële kandidaat-geneesmiddelen, " zei ORNL-corresponderende auteur Leighton Coates. "Onze gegevens over de kamertemperatuur worden gebruikt om een ​​nauwkeuriger model te bouwen voor die simulaties en om de ontwerpactiviteiten voor geneesmiddelen te verbeteren."

De volgende stap van de onderzoekers bij het voltooien van het 3D-model van het SARS-CoV-2-hoofdprotease is het gebruik van neutronenverstrooiing bij ORNL's High Flux Isotope Reactor en de Spallation Neutron Source. Neutronen zijn essentieel bij het lokaliseren van de waterstofatomen, die een cruciale rol spelen in veel van de katalytische functies en inspanningen voor het ontwerpen van geneesmiddelen.

Het proteaseplasmide-DNA dat werd gebruikt om het enzym te maken, werd geleverd door Argonne's Structural Biology Center bij de Advanced Photon Source. Kristallisatie van de eiwitten die in de röntgenverstrooiingsexperimenten werden gebruikt, werd uitgevoerd in het ORNL-centrum voor structurele en moleculaire biologie.