Het virus dat ons leven verwoest, is een efficiënte infectiemachine. Bestaat uit slechts 29 eiwitten (vergeleken met onze 400, 000), met een genoom 1/200, 000 zo groot als de onze, SARS-CoV-2 is vakkundig ontwikkeld om onze cellen te misleiden om zijn machines bij te dragen om te helpen bij de verspreiding ervan.

In de afgelopen maanden, wetenschappers hebben veel geleerd over de mechanica van deze hersenloze vijand. Maar wat we hebben geleerd verbleekt nog steeds in vergelijking met wat we niet weten.

Er zijn een aantal manieren waarop wetenschappers de werking van een virus blootleggen. Alleen door deze methoden samen te gebruiken, kunnen we de zwakke plekken van het coronavirus vinden en benutten, zegt Ahmet Yildiz, universitair hoofddocent natuurkunde en moleculaire celbiologie aan de Universiteit van Californië, Berkeley.

Yildiz en zijn medewerker Mert Gur aan de Technische Universiteit van Istanbul combineren door supercomputers aangedreven simulaties van moleculaire dynamica met experimenten met één molecuul om de geheimen van het virus te ontdekken. Vooral, ze bestuderen het spike (S)-eiwit, het deel van het virus dat zich bindt aan menselijke cellen en begint met het proces van het inbrengen van viraal RNA in de cel.

"Veel groepen vallen verschillende stadia van dit proces aan, " zei Gur. "Ons eerste doel is om moleculaire dynamica-simulaties te gebruiken om de processen te identificeren die plaatsvinden wanneer het virus zich bindt aan de gastheercel."

Er zijn drie kritieke fasen waardoor het spike-eiwit de cel kan binnendringen en beginnen te repliceren, zegt Yildiz.

Eerst, het spike-eiwit moet transformeren van een gesloten configuratie naar een open configuratie. Tweede, het spike-eiwit bindt aan zijn receptor aan de buitenkant van onze cellen. Deze binding veroorzaakt een conformationele verandering binnen het spike-eiwit en stelt een ander menselijk eiwit in staat om de spike te splitsen. Eindelijk, het nieuw blootgestelde oppervlak van de spike interageert met het membraan van de gastheercel en stelt het virale RNA in staat om de cel binnen te gaan en te kapen.

Begin februari, elektronenmicroscoopbeelden onthulden de structuur van het spike-eiwit. Maar de snapshots toonden alleen de belangrijkste configuraties die het eiwit aanneemt, niet de tijdelijke, tussen stappen. "We zien alleen snapshots van stabiele conformaties, "Zei Yildiz. "Omdat we de timing niet kennen van gebeurtenissen waardoor het eiwit van de ene stabiele conformatie naar de volgende kan gaan, we kennen die intermediaire conformaties nog niet."

Dat is waar computermodellering om de hoek komt kijken. De microscoopbeelden bieden een handig startpunt om modellen te maken van elk atoom in het eiwit, en zijn omgeving (water, ionen, en de receptoren van de cel). Vanaf daar, Yildiz en Gur zetten het eiwit in beweging en keken wat er gebeurde.

"We hebben aangetoond dat het S-eiwit een tussentoestand bereikt voordat het kan aanmeren op het receptoreiwit op het membraan van de gastheercel", zei Gur. "Deze tussentoestand kan nuttig zijn voor het richten van geneesmiddelen om te voorkomen dat het S-eiwit een virale infectie veroorzaakt."

Terwijl veel andere groepen over de hele wereld de bindende pocket van het virus onderzoeken, in de hoop een medicijn te vinden dat kan voorkomen dat het virus zich vastklampt aan menselijke cellen, Yildiz en Gur kiezen voor een meer genuanceerde benadering.

"Het spike-eiwit bindt zich sterk aan zijn receptor met een complex interactienetwerk, Yildiz legde uit. "We hebben laten zien dat als je een van die interacties verbreekt, je kunt de binding nog steeds niet stoppen. Dat is de reden waarom sommige van de fundamentele onderzoeken naar de ontwikkeling van geneesmiddelen mogelijk niet de gewenste resultaten opleveren."

Maar als het mogelijk is om te voorkomen dat het spike-eiwit van een gesloten naar een open toestand gaat - of een derde, tussentoestand waarvan we ons niet eens bewust zijn, naar de open toestand - die zich misschien leent voor een behandeling.

Vind, en breken, de belangrijke banden

Het tweede gebruik van computersimulaties door Yildiz en Gur identificeerde niet alleen nieuwe staten, maar de specifieke aminozuren die elke toestand stabiliseren.

"Als we de belangrijke koppelingen op het niveau van één aminozuur kunnen bepalen - welke interacties stabiliseren en cruciaal zijn voor deze bevestigingen - is het misschien mogelijk om die toestanden te richten met kleine moleculen, ' zei Yildiz.

Het simuleren van dit gedrag op het niveau van het atoom of het individuele aminozuur is ongelooflijk rekenintensief. Yildiz en Gur kregen via het COVID-19 HPC Consortium tijd op de Stampede2-supercomputer van het Texas Advanced Computing Center (TACC) - de op een na snelste supercomputer aan een Amerikaanse universiteit en de 19e in het algemeen. Het simuleren van één microseconde van het virus en zijn interacties met menselijke cellen - in totaal ongeveer een miljoen atomen - duurt weken op een supercomputer... en zou jaren duren zonder een.

"Het is een rekenkundig veeleisend proces, "Zei Yildiz. "Maar de voorspellende kracht van deze aanpak is zeer krachtig."

Yildiz en Gur-team, samen met ongeveer 40 andere onderzoeksgroepen die COVID-19 bestuderen, prioriteit hebben gekregen bij de toegang tot TACC-systemen. "We worden niet beperkt door de snelheid waarmee de simulaties plaatsvinden, dus er is een realtime race tussen ons vermogen om simulaties uit te voeren en de gegevens te analyseren."

Met de tijd van de essentie, Gur en zijn medewerkers hebben door berekeningen gekarnd, het naspelen van de atomaire omzwervingen van het spike-eiwit als het nadert, bindt aan, en interageert met angiotensine-converting enzyme 2 (ACE2) -receptoren - eiwitten die het oppervlak van veel celtypen bekleden.

Hun eerste bevindingen, die het bestaan ​​van een tussenliggende semi-open toestand van het S-eiwit voorstelde dat compatibel is met RBD-ACE2-binding via all-atom moleculaire dynamica (MD) -simulaties, werd gepubliceerd in de Tijdschrift voor Chemische Fysica .

Verder, door het uitvoeren van all-atom MD-simulaties, identificeerden ze een uitgebreid netwerk van zoutbruggen, hydrofobe en elektrostatische interacties, en waterstofbinding tussen het receptorbindende domein van het spike-eiwit en ACE2. De resultaten van deze bevindingen zijn gepubliceerd in BioRxiv.

Het muteren van de residuen op het receptorbindende domein was niet voldoende om de binding te destabiliseren, maar verminderde het gemiddelde werk om het spike-eiwit van ACE2 te ontbinden. Ze stellen voor dat het blokkeren van deze site via neutraliserend antilichaam of nanobody een effectieve strategie zou kunnen zijn om spike-eiwit-ACE2-interacties te remmen.

Om te bevestigen dat de computer-afgeleide inzichten juist zijn, Het team van Yildiz voerde laboratoriumexperimenten uit met behulp van fluorescentieresonantie-energieoverdracht met één molecuul (of smFRET) - een biofysische techniek die wordt gebruikt om afstanden te meten op de schaal van één tot 10 nanometer in afzonderlijke moleculen

"De techniek stelt ons in staat om de conformatieveranderingen van het eiwit te zien door de energieoverdracht tussen twee lichtemitterende sondes te meten, ' zei Yildiz.

Hoewel wetenschappers nog steeds geen techniek hebben om de atomaire details van bewegende moleculen in realtime te zien, de combinatie van elektronenmicroscopie, beeldvorming met één molecuul, en computersimulaties kunnen onderzoekers een rijk beeld geven van het gedrag van het virus, zegt Yildiz.

"We kunnen snapshots met atomaire resolutie van bevroren moleculen krijgen met behulp van elektronenmicroscopie. We kunnen simulaties op atomair niveau van het eiwit in beweging krijgen met behulp van moleculaire dynamica op een korte tijdschaal. En met behulp van technieken met één molecuul kunnen we de dynamiek afleiden die ontbreekt aan elektronen microscopie en de simulaties, Yildiz concludeerde. "Door deze methoden samen te combineren, krijgen we het volledige beeld en ontleden we het mechanisme van een virus dat de gastheercel binnendringt."