De snelle opkomst van nieuwe stammen van het SARS-CoV-2-virus heeft de bescherming die wordt geboden door COVID-19-vaccins verminderd. Een nieuwe aanpak ontwikkeld door onderzoekers van het Indian Institute of Science (IISc) biedt nu een alternatief mechanisme om virussen zoals SARS-CoV-2 inactief te maken.

In een studie gepubliceerd in Nature Chemical Biology , rapporteren de onderzoekers het ontwerp van een nieuwe klasse kunstmatige peptiden of mini-eiwitten die niet alleen het binnendringen van virussen in onze cellen kunnen blokkeren, maar ook virions (virusdeeltjes) kunnen samenklonteren, waardoor hun vermogen om te infecteren wordt verminderd.

Een eiwit-eiwit interactie is vaak als die van een slot en een sleutel. Deze interactie kan worden belemmerd door een in het laboratorium gemaakt mini-eiwit dat de "sleutel" nabootst, ermee concurreert en voorkomt dat deze zich aan het "slot" bindt, of vice versa.

In de nieuwe studie heeft het team deze benadering gebruikt om mini-eiwitten te ontwerpen die kunnen binden aan en het spike-eiwit op het oppervlak van het SARS-CoV-2-virus kunnen blokkeren. Deze binding werd verder uitgebreid gekarakteriseerd door cryo-elektronenmicroscopie (cryo-EM) en andere biofysische methoden.

Deze mini-eiwitten zijn spiraalvormige, haarspeldvormige peptiden, die elk in staat zijn om te paren met een ander in zijn soort, en zo een zogenaamde dimeer te vormen. Elke dimere "bundel" presenteert twee "gezichten" om te interageren met twee doelmoleculen. De onderzoekers veronderstelden dat de twee gezichten zouden binden aan twee afzonderlijke doeleiwitten die alle vier in een complex zouden vergrendelen en de actie van de doelen zouden blokkeren. "Maar we hadden een principieel bewijs nodig", zegt Jayanta Chatterjee, universitair hoofddocent in de Molecular Biophysics Unit (MBU), IISc, en de hoofdauteur van de studie. Het team besloot hun hypothese te testen door een van de mini-eiwitten genaamd SIH-5 te gebruiken om de interactie tussen het Spike (S)-eiwit van SARS-CoV-2 en ACE2-eiwit in menselijke cellen aan te pakken.

Het S-eiwit is een trimeer - een complex van drie identieke polypeptiden. Elk polypeptide bevat een Receptor Binding Domain (RBD) dat bindt aan de ACE2-receptor op het oppervlak van de gastheercel. Deze interactie vergemakkelijkt het binnendringen van virussen in de cel.

Het SIH-5-miniproteïne is ontworpen om de binding van het RBD aan menselijk ACE2 te blokkeren. Wanneer een SIH-5-dimeer een S-eiwit tegenkwam, bond een van zijn vlakken stevig aan een van de drie RBD's op het S-eiwittrimeer en het andere vlak aan een RBD van een ander S-eiwit. Door deze "verknoping" kon het mini-eiwit beide S-eiwitten tegelijkertijd blokkeren. "Verschillende monomeren kunnen hun doelwit blokkeren", zegt Chatterjee. "[Maar] verknoping van S-eiwitten blokkeert hun actie vele malen effectiever. Dit wordt het avidity-effect genoemd."

Onder cryo-EM leken de S-eiwitten waarop SIH-5 zich richtte, head-to-head bevestigd. "We verwachtten een complex van één-spikestrimeer met SIH-5-peptiden te zien. Maar ik zag een structuur die veel langer was", zegt Somnath Dutta, assistent-professor bij MBU en een van de overeenkomstige auteurs. Dutta en de anderen realiseerden zich dat de spike-eiwitten werden gedwongen om dimeren te vormen en samenklonterden tot complexen met het mini-eiwit. Dit type klonteren kan tegelijkertijd meerdere spike-eiwitten van hetzelfde virus en zelfs meerdere virusdeeltjes inactiveren. "Ik heb eerder gewerkt met antilichamen die zijn opgewekt tegen het spike-eiwit en ze hebben geobserveerd onder een cryo-EM. Maar ze hebben nooit dimeren van de spikes gemaakt", zegt Dutta.

Het mini-eiwit bleek ook thermostabiel te zijn - het kan maanden bij kamertemperatuur worden bewaard zonder te verslechteren.

De volgende stap was om te vragen of SIH-5 nuttig zou zijn om COVID-19-infectie te voorkomen.

Om dit te beantwoorden, testte het team het mini-eiwit eerst op toxiciteit in zoogdiercellen in het laboratorium en vond het veilig. Vervolgens werden hamsters in experimenten uitgevoerd in het laboratorium van Raghavan Varadarajan, professor aan de MBU, gedoseerd met het mini-eiwit, gevolgd door blootstelling aan SARS-CoV-2. Deze dieren vertoonden geen gewichtsverlies en hadden een sterk verminderde virale belasting en veel minder celbeschadiging in de longen, vergeleken met hamsters die alleen aan het virus waren blootgesteld.

De onderzoekers zijn van mening dat dit in het laboratorium gemaakte mini-eiwit met kleine aanpassingen en peptide-engineering ook andere eiwit-eiwit-interacties zou kunnen remmen. + Verder verkennen

Ontwerpen van peptideremmers voor mogelijke COVID-19 behandelingen