Om beter te begrijpen hoe het nieuwe coronavirus zich gedraagt ​​en hoe het kan worden gestopt, wetenschappers hebben een driedimensionale kaart voltooid die de locatie van elk atoom in een enzymmolecuul onthult dat cruciaal is voor de reproductie van SARS-CoV-2.

Onderzoekers van het Oak Ridge National Laboratory van het Department of Energy gebruikten neutronenverstrooiing om belangrijke informatie te identificeren om de effectiviteit te verbeteren van medicijnremmers die zijn ontworpen om het replicatiemechanisme van het virus te blokkeren. Het onderzoek is gepubliceerd in de Tijdschrift voor biologische chemie .

Het SARS-CoV-2-virus, die de ziekte COVID-19 veroorzaakt, brengt lange ketens van eiwitten tot expressie die zijn samengesteld uit ongeveer 1, 900 aminozuurresten. Om het virus te laten reproduceren, die ketens moeten worden afgebroken en in kleinere strengen worden gesneden door een enzym dat het hoofdprotease wordt genoemd. Het actieve protease-enzym wordt gevormd uit twee identieke eiwitmoleculen die bij elkaar worden gehouden door waterstofbruggen. Het ontwikkelen van een medicijn dat de protease-activiteit remt of blokkeert, zal voorkomen dat het virus zich vermenigvuldigt en zich naar andere cellen in het lichaam verspreidt.

"Deze nieuwe informatie is precies wat nodig is om remmers met een hogere graad van specificiteit te ontwerpen, ervoor zorgen dat de remmermoleculen zeer stevig binden aan hun beoogde doelen en het protease uitschakelen, " zei ORNL's Andrey Kovalevsky, Corresponderende auteur.

Neutronenexperimenten onthulden eerst dat de plaats met de aminozuren waar de eiwitketens worden doorgesneden zich in een elektrisch geladen reactieve toestand bevindt en niet in een rustende of neutrale toestand, in tegenstelling tot eerdere overtuigingen. Tweede, ze brachten de locatie van elk waterstofatoom in kaart op de plaatsen waar remmers zouden binden aan het protease-enzym, evenals de elektrische ladingen van de bijbehorende aminozuren. De experimenten brachten ook het hele netwerk van waterstofbruggen in kaart tussen de eiwitmoleculen die het enzym bij elkaar houden en het mogelijk maken om het chemische proces van het doorsnijden van de eiwitketens te starten.

"De helft van de atomen in eiwitten zijn waterstof. Die atomen zijn belangrijke spelers in de enzymatische functie en zijn essentieel voor hoe medicijnen binden, "Zei Kovalevsky. "Als we niet weten waar die waterstofatomen zijn en hoe de elektrische ladingen in het eiwit worden verdeeld, we kunnen geen effectieve remmers voor het enzym ontwerpen."

De neutronenstudie van het team bouwt voort op eerder onderzoek dat in het tijdschrift is gepubliceerd Natuurcommunicatie , het creëren van een volledige atomaire structuur van het protease-enzym. De onderzoekers hebben hun gegevens ook openbaar gemaakt aan de wetenschappelijke gemeenschap voordat beide papers werden gepubliceerd om oplossingen voor de wereldwijde pandemie te versnellen.

Neutronen zijn ideale sondes voor het bestuderen van biologische structuren omdat ze niet-destructief zijn en zeer gevoelig voor lichte elementen zoals waterstof. De experimenten met neutronenverstrooiing werden uitgevoerd bij de High Flux Isotope Reactor en de Spallation Neutron Source bij ORNL. De eiwitmonsters werden gesynthetiseerd in aangrenzende faciliteiten van het Center for Structural Molecular Biology.

"Dit is misschien wel de snelste neutronenstructuur van een eiwit dat ooit is geproduceerd. We zijn in mei begonnen met neutronenexperimenten, en binnen vijf maanden, we hebben onze resultaten verkregen en gepubliceerd. Dat duurt meestal jaren, " zei ORNL-corresponderende auteur Leighton Coates. "Dit werk laat zien wat we kunnen doen bij Oak Ridge. Alles is hier van begin tot eind gedaan. De eiwitten kwamen tot expressie, gezuiverd, en gekristalliseerd, en alle gegevens werden ter plaatse verzameld en geanalyseerd - een volledig verticaal geïntegreerde aanpak."

Het team zal de nieuw verkregen informatie nu gebruiken om de bindende eigenschappen van kandidaat-geneesmiddelmoleculen te onderzoeken om verbeterde COVID-19-therapieën te produceren.

"Dit is niet alleen de eerste keer dat iemand een neutronenstructuur van een coronaviruseiwit heeft verkregen, maar het is ook de eerste keer dat iemand naar deze klasse van protease-enzymen kijkt met neutronen, " zei Daniel Kneller van ORNL, de eerste auteur van de studie. "Het is een uitstekend voorbeeld van neutronenkristallografie die de gemeenschap dient wanneer deze het het meest nodig heeft."