Te midden van een wereldwijde pandemie met COVID-19, het is moeilijk te begrijpen hoeveel geluk degenen buiten Afrika hebben gehad om de dodelijke Ebola-virusziekte te vermijden. Het maakt zijn slachtoffers snel onbekwaam na infectie met massaal braken of diarree, leidend tot de dood door vochtverlies bij ongeveer 50 procent van de getroffenen. Het ebolavirus wordt alleen overgedragen via lichaamsvloeistoffen, een belangrijk verschil met het COVID-19-virus en een die heeft geholpen de verspreiding van ebola in te dammen.

Ebola-uitbraken blijven oplaaien in West-Afrika, hoewel een vaccin dat in december 2019 is ontwikkeld en verbeteringen in zorg en inperking hebben geholpen om ebola onder controle te houden. Supercomputersimulaties door een team van de Universiteit van Delaware, waaronder een student die werd ondersteund door het XSEDE EMPOWER-programma, dragen bij aan de mix en helpen de afweer van het opgerolde genetische materiaal van Ebola te kraken. Dit nieuwe onderzoek zou kunnen leiden tot doorbraken in de behandeling en verbeterde vaccins voor ebola en andere dodelijke virale ziekten zoals COVID-19.

"Onze belangrijkste bevindingen hebben betrekking op de stabiliteit van het Ebola-nucleocapside, " zei Juan R. Perilla, een assistent-professor in de afdeling Scheikunde en Biochemie aan de Universiteit van Delaware. Perilla was co-auteur van een studie gepubliceerd in oktober 2020 in de AIP Journal of Chemistry Physics . Het concentreerde zich op de nucleocapside, een eiwitomhulsel dat beschermt tegen de afweer van het lichaam, het genetische materiaal dat ebola gebruikt om zichzelf te repliceren.

"Wat we hebben gevonden, is dat het Ebola-virus is geëvolueerd om de stabiliteit van het nucleocapside te reguleren door elektrostatische interacties met zijn RNA te vormen, zijn genetisch materiaal, "Zei Perilla. "Er is een wisselwerking tussen het RNA en de nucleocapside die het bij elkaar houdt."

Net als coronavirussen, het Ebola-virus is afhankelijk van een staafachtig en spiraalvormig nucleocapside om zijn levenscyclus te voltooien. Vooral, structurele eiwitten, nucleoproteïnen genaamd, assembleren in een spiraalvormige opstelling om het enkelstrengs virale RNA-genoom (ssRNA) in te kapselen dat het nucleocapside vormt.

De studie door Perilla en zijn wetenschappelijke team zocht naar de moleculaire determinanten van de nucleocapsidestabiliteit, zoals hoe het genetisch materiaal van ssRNA is verpakt, de elektrostatische potentiaal van het systeem, en de residu-opstelling in het spiraalvormige samenstel. Deze kennis is essentieel voor het ontwikkelen van nieuwe therapieën tegen ebola. Toch blijven deze inzichten zelfs voor 's werelds beste experimentele laboratoria buiten bereik. Computersimulaties, echter, kan en zal die leemte opvullen.

"Je kunt simulatiewerk zien als een theoretische uitbreiding van experimenteel werk, " zei co-auteur Tanya Nesterova, een niet-gegradueerde onderzoeker in het Perilla Lab. "We ontdekten dat RNA sterk negatief geladen is en helpt het nucleocapside te stabiliseren door elektrostatische interactie met de meestal positief geladen nucleoproteïnen, " ze zei.

Nesterova heeft financiering gekregen via een XSEDE Expert Mentoring Producing Opportunities for Work, Opleiding, en onderzoeksbeurs (EMPOWER) in 2019, die studenten ondersteunt om deel te nemen aan het eigenlijke werk van XSEDE.

"Het was een effectief programma, " zei ze. "We hebben deze zomer rekenhulpmiddelen zoals Bridges gebruikt. We hadden ook regelmatig contact met de coördinator om onze voortgang op schema te houden."

Het team ontwikkelde een moleculaire dynamica-simulatie van het Ebola-nucleocapside, een systeem dat 4,8 miljoen atomen bevat. Ze gebruikten de cryo-elektronenmicroscopiestructuur van het Ebola-virus gepubliceerd in Nature in oktober 2018 voor hun gegevens bij het bouwen van het model.

"We hebben twee systemen gebouwd, " zei co-auteur Chaoyi Xu, een doctoraat student in het Perilla Lab. "Het ene systeem is het Ebola-nucleocapside met het RNA. En het andere is gewoon het nucleocapside als controle."

"Nadat we de hele buis hadden gebouwd, we plaatsen elke nucleocapside in een omgeving die lijkt op de cel, " legde Xu uit. Ze voegden in feite natriumchloride-ionen toe, en vervolgens de concentratie aangepast om overeen te komen met die in het cytoplasma. Ze hebben ook een waterbak geplaatst rond de nucleocapside. "En toen hebben we een zeer krachtige simulatie uitgevoerd, " voegde Xu toe.

De door de NSF gefinancierde Extreme Science and Engineering Discovery Environment (XSEDE) kende het team supercomputingtoewijzingen toe op het Stampede2-systeem in het Texas Advanced Computing Center en het Bridges-systeem van het Pittsburgh Supercomputing Center.

"We zijn erg dankbaar voor de supercomputerbronnen die door XSEDE zijn geleverd waardoor dit werk mogelijk werd. XSEDE gaf ook training via online cursussen die nuttig was, ' zei Xu.

"Op Stampede2, we hebben toegang om simulaties uit te voeren op honderden of zelfs duizenden knooppunten, " vervolgde Xu. "Dit maakt het voor ons mogelijk om simulaties van grotere systemen uit te voeren, bijvoorbeeld, het Ebola-nucleocapside. Deze simulatie is niet lokaal af te werken. Dat is heel belangrijk, " hij zei.

"Ik vind het leuk hoe met Bruggen, wanneer u een simulatie uitvoert, u kunt op de hoogte blijven wanneer het is voltooid en wanneer het is begonnen, " voegde Nesterova toe. Ze zei dat dat nuttig was voor het maken van Slurm-scripts, die helpen bij het beheren en plannen van taken op rekenclusters.

"We zijn net begonnen Frontera te gebruiken voor het Ebola-project, " Xu toegevoegd. Frontera is het NSF-vlaggenschip Tier 1-systeem bij TACC, gerangschikt # 9 in de wereld door Top500. "Het is krachtiger omdat het de nieuwste CPU-architectuur heeft. En het is erg snel, " hij zei.

"Frontera maakt deel uit van de TACC-infrastructuur, "Zei Perilla. "We wisten welke ontwikkelingshulpmiddelen er zouden zijn, en ook het wachtrijsysteem en andere fijne kneepjes van deze machines. Dat heeft veel geholpen. Op het gebied van architectuur, we zijn bekend met Stampede2, hoewel dit een andere machine is. Door onze ervaring met Stampede2 konden we snel beginnen met het gebruik van Frontera, " hij zei.

Het wetenschappelijke team simuleerde de interactie van de atomen in het Ebola-virus nucleocapside en gemeten hoe ze in de tijd veranderen, nuttige informatie over de atomaire interacties opleveren. Een van de dingen die ze vonden was dat zonder het RNA, het nucleocapside van het ebolavirus behield zijn buisachtige vorm. Maar de pakking van de nucleoproteïnemonomeren raakte ontregeld, en zijn spiraalvormige symmetrie ging verloren. Met het RNA, het behield zijn helix. Hun resultaten toonden aan dat de RNA-binding de helix stabiliseerde en de structuur van het nucleocapside van het ebolavirus bewaarde.

Het team vond ook belangrijke interacties tussen de nucleoproteïneresiduen en het ssRNA, en ook interacties tussen twee nucleoproteïnen.

"Er zijn twee soorten interfaces tussen de paren nucleoproteïnen die de spiraalvormige opstelling vormen. We hebben ontdekt welke van deze interfaces een belangrijkere rol speelt. We kunnen ofwel die interface richten om de spiraalvormige opstelling te destabiliseren of de spiraalvormige opstelling voor een groot deel stabiliseren zodat het virus nucleocapside niet in staat is uit elkaar te halen, " zei co-auteur Nidhi Katyal, een postdoctoraal onderzoeker in het Perilla Lab.

Het ebolavirus is een taai organisme omdat het zijn macromoleculaire assemblage strak reguleert. Perilla suggereerde dat in plaats van te proberen medicijnen te bedenken die de nucleocapside vernietigen, een goede strategie zou kunnen zijn om het tegenovergestelde te doen.

"Als je het te stabiel maakt, dat is genoeg om het virus te doden, zei hij. Een strategie lenend vanuit zijn achtergrond in hiv-onderzoek, hij wil doelwitten vinden voor medicijnen om het ebolavirus te overstabiliseren en te voorkomen dat het zijn genetisch materiaal vrijgeeft, een belangrijke stap in de replicatie ervan.

Perilla suggereerde een vergelijkbare strategie voor andere pathogenen die strak gereguleerd zijn, zoals coronavirussen en hepatitis B-virussen. "Ze zijn een zoete plek, bij wijze van spreken. We weten wat stabiliteit geeft. Andere teams kunnen kijken of dit misschien een goede drugbare site is om het hypostabiel of hyperstabiel te maken, ' zei Perilla.

Vooruit kijken, Perilla gaf aan dat zijn laboratorium nauwkeuriger zal kijken naar de specifieke kenmerken van de ssRNA-sequentie en of het stabiliteit verleent aan de nucleocapsidebuis van het ebolavirus. Zo ja, dan kunnen sommige regio's worden blootgesteld en eerst worden getranscribeerd, vergelijkbaar met wat er in de kern van de cel gebeurt. Perilla zei dat het "ongehoord zou zijn in een virus, " en extreem geavanceerd gedrag in termen van het RNA dat transcriptie reguleert.

Zei Perilla:"We weten dat er meer ziekteverwekkers zullen zijn die maar blijven komen, vooral met coronavirussen nu, en ze kunnen de wereld stoppen. Het is goed voor de samenleving om niet alleen één virus te kunnen bestuderen, maar deze technieken gebruiken om een ​​nieuw virus te bestuderen, zoiets als coronavirussen. In aanvulling, het vermogen om nieuwe studenten op te leiden, zoals Tanja, geeft de belastingbetalers waar voor hun geld in termen van opleiding van de volgende generatie, kennis overdragen van andere virussen, en het bestrijden van de huidige problemen."