O echipă de cercetători de la laboratorul național Oak Ridge și Argonne al Departamentului Energiei a efectuat primele măsurători de raze X la temperatura camerei pe proteaza principală SARS-CoV-2 - enzima care permite reproducerea virusului.

proteinelor

Măsurătorile cu raze X marchează un prim pas important în scopul final al cercetătorilor de a construi un model 3D cuprinzător al proteinei enzimatice. Modelul va fi utilizat pentru a avansa simulări de supercomputere care vizează găsirea inhibitorilor de droguri pentru a bloca mecanismul de replicare a virusului și a ajuta la încetarea pandemiei COVID-19. Rezultatele cercetărilor lor sunt disponibile publicului și au fost publicate în revista Nature Communications.

SARS-CoV-2 este virusul care cauzează boala COVID-19. Virusul se reproduce exprimând lanțuri lungi de proteine ​​care trebuie tăiate în lungimi mai mici de către enzima protează.

"Proteaza este indispensabilă pentru ciclul de viață al virusului. Proteina are forma unei inimi a lui Valentin, dar chiar este inima virusului care îi permite să se replice și să se răspândească. Dacă inhibi proteaza și oprești inima, virusul nu poate produce proteinele care sunt esențiale pentru replicarea sa. De aceea, proteaza este considerată o țintă atât de importantă de droguri ", a declarat Andrey Kovalevsky, autorul ORNL. În timp ce structura este cunoscută din cristalele conservate criogenic, „Este pentru prima dată când structura acestei enzime a fost măsurată la temperatura camerei, ceea ce este semnificativ deoarece este aproape de temperatura fiziologică în care funcționează celulele”.

Construirea unui model complet al structurii proteinei necesită identificarea fiecărui element din structură și modul în care acestea sunt aranjate. Razele X sunt ideale pentru detectarea elementelor grele precum atomii de carbon, azot și oxigen. Datorită intensității fasciculelor de raze X la majoritatea instalațiilor de sincrotron pe scară largă, eșantioanele biologice trebuie de obicei congelate criogenic la aproximativ 100 K, sau aproximativ minus 280 grade Fahrenheit, pentru a rezista radiației suficient de mult pentru ca datele să fie colectate.

Pentru a prelungi durata de viață a probelor de proteine ​​cristalizate și a le măsura la temperatura camerei, cercetătorii ORNL au crescut cristale mai mari decât cele necesare pentru studiile de criotron sincron și au folosit un aparat de raze X intern care prezintă un fascicul mai puțin intens.

"Creșterea cristalelor de proteine ​​și colectarea datelor este un proces plictisitor și care consumă mult timp. În timpul necesar, de obicei, pentru a pregăti și expedia eșantionul către un sincrotron, am reușit să creștem cristalele, să luăm măsurătorile și să începem să analizăm datele". a spus Daniel Kneller al ORNL, primul autor al studiului. "Și, când există o pandemie cu mulți oameni de știință care se mobilizează pentru a studia această problemă, nu mai este o zi de rezervă".

Enzima protează este formată din lanțuri de aminoacizi cu un model repetat de atomi de azot-carbon-carbon care formează coloana vertebrală a proteinei. Grupurile laterale de blocuri de construcție ale aminoacizilor sau „reziduuri” se extind de la fiecare dintre atomii de carbon ai coloanei vertebrale centrale. Enzima este pliată într-o formă 3D specifică, creând buzunare speciale în care s-ar atașa o moleculă de medicament.

Studiul a relevat diferențe structurale semnificative între orientările coloanei vertebrale și unele dintre reziduurile din temperatura camerei și probele criogenice. Cercetarea sugerează că înghețarea cristalelor poate introduce artefacte structurale care ar putea duce la o înțelegere mai puțin exactă a structurii proteazei.

Rezultatele echipei sunt împărtășite cu cercetătorii, conduși de președintele guvernatorului Universității din Tennessee, ORNL, Jeremy Smith, care efectuează simulări de andocare a drogurilor folosind Summit la ORNL - cel mai rapid supercomputer din țară.

„Ceea ce fac cercetătorii în cadrul Summit-ului este să ia compuși de medicamente cunoscuți și să încerce să-i lege computerizat de proteaza principală pentru reutilizarea medicamentelor, precum și să caute noi clienți potențiali pentru alți potențiali candidați la medicamente”, a declarat autorul corespondent al ORNL, Leighton Coates. „Datele noastre despre temperatura camerei sunt utilizate pentru a construi un model mai precis pentru aceste simulări și pentru a îmbunătăți activitățile de proiectare a medicamentelor.”

Următorul pas al cercetătorilor în completarea modelului 3D al proteazei principale SARS-CoV-2 este de a folosi împrăștierea neutronilor la reactorul de izotop de flux înalt ORNL și la sursa de neutroni de spalație. Neutronii sunt esențiali în localizarea atomilor de hidrogen, care joacă un rol critic în multe dintre funcțiile catalitice și eforturile de proiectare a medicamentelor.

ADN-ul plasmidic de protează utilizat pentru fabricarea enzimei a fost furnizat de Centrul de Biologie Structurală al Argonne la Advanced Photon Source. Cristalizarea proteinelor utilizate în experimentele de împrăștiere cu raze X a fost efectuată la Centrul de Biologie Structurală și Moleculară al ORNL.

Pe lângă Kovalevsky, Kneller și Coates, autorii lucrării sunt Gwyndalyn Phillips, Hugh M. O'Neill și Paul Langan; și lui Robert Jedrzejczak, Lucy Stols și Andrzej Joachimiak.

Lucrarea a fost finanțată de programul de cercetare și dezvoltare al Laboratorului ORNL, Institutul Național de Alergii și Boli Infecțioase al Institutelor Naționale de Sănătate și Fundația Națională pentru Științe, cu sprijinul facilităților de la Oficiul de Științe al DOE.