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    precipitoso2, Le simulazioni di ponti mostrano punti deboli nel nucleocapside del virus Ebola

    Il micidiale virus Ebola protegge il suo materiale genetico RNA in bobine di proteine ​​chiamate nucleocapsidi (sopra). Il laboratorio di Juan Perilla presso l'Università del Delaware ha completato le simulazioni di tutti gli atomi del nucleocapside con (R) e senza (L) RNA, mostrando che l'RNA conferisce stabilità contro disordine senza. Credito:Juan R. Perilla, Università del Delaware.

    Nel bel mezzo di una pandemia globale con COVID-19, è difficile rendersi conto di quanto siano stati fortunati coloro al di fuori dell'Africa a evitare la malattia mortale del virus Ebola. Inabilita le sue vittime subito dopo l'infezione con vomito o diarrea massicci, portando alla morte per perdita di liquidi in circa il 50 per cento degli afflitti. Il virus Ebola si trasmette solo attraverso i fluidi corporei, segnando una differenza fondamentale rispetto al virus COVID-19 e che ha contribuito a contenere la diffusione dell'Ebola.

    Le epidemie di Ebola continuano a divampare in Africa occidentale, sebbene un vaccino sviluppato nel dicembre 2019 e miglioramenti nelle cure e nel contenimento abbiano contribuito a tenere sotto controllo l'Ebola. Le simulazioni al supercomputer di un team dell'Università del Delaware che includeva uno studente universitario supportato dal programma XSEDE EMPOWER si stanno aggiungendo al mix e aiutano a rompere le difese del materiale genetico arrotolato dell'Ebola. Questa nuova ricerca potrebbe aiutare a portare a scoperte terapeutiche e vaccini migliori per l'Ebola e altre malattie virali mortali come il COVID-19.

    "I nostri risultati principali sono legati alla stabilità del nucleocapside di Ebola, " disse Juan R. Perilla, un assistente professore presso il Dipartimento di Chimica e Biochimica dell'Università del Delaware. Perilla è co-autrice di uno studio pubblicato nell'ottobre 2020 su AIP Journal of Chemistry Physics . Si è concentrato sul nucleocapside, un guscio proteico che protegge dalle difese dell'organismo il materiale genetico che l'Ebola utilizza per replicarsi.

    "Quello che abbiamo scoperto è che il virus Ebola si è evoluto per regolare la stabilità del nucleocapside formando interazioni elettrostatiche con il suo RNA, il suo materiale genetico, "Perilla ha detto. "C'è un'interazione tra l'RNA e il nucleocapside che lo tiene insieme."

    Come i coronavirus, il virus Ebola dipende da un nucleocapside a forma di bastoncino e di forma elicoidale per completare il suo ciclo vitale. In particolare, proteine ​​strutturali chiamate nucleoproteine ​​si assemblano in una disposizione elicoidale per incapsulare il genoma di RNA virale a filamento singolo (ssRNA) che forma il nucleocapside.

    Lo studio di Perilla e del suo team scientifico ha cercato i determinanti molecolari della stabilità del nucleocapside, come il modo in cui il materiale genetico ssRNA è confezionato, il potenziale elettrostatico del sistema, e la disposizione dei residui nell'assieme elicoidale. Questa conoscenza è essenziale per sviluppare nuove terapie contro l'Ebola. Eppure queste intuizioni rimangono fuori dalla portata anche dei migliori laboratori sperimentali del mondo. Simulazioni al computer, però, può e ha riempito quella lacuna.

    "Si può pensare al lavoro di simulazione come a un'estensione teorica del lavoro sperimentale, ", ha affermato la coautrice dello studio Tanya Nesterova, un ricercatore universitario nel Perilla Lab. "Abbiamo scoperto che l'RNA è altamente caricato negativamente e aiuta a stabilizzare il nucleocapside attraverso l'interazione elettrostatica con le nucleoproteine ​​per lo più cariche positivamente, " lei disse.

    Nesterova ha ricevuto finanziamenti tramite un mentore esperto XSEDE che produce opportunità di lavoro, Formazione scolastica, e borsa di studio di ricerca (EMPOWER) nel 2019, che supporta gli studenti universitari che partecipano al lavoro effettivo di XSEDE.

    "Era un programma efficace, " ha detto. "Abbiamo usato risorse computazionali come Bridges questa estate. Abbiamo anche avuto una comunicazione regolare con il coordinatore per mantenere i nostri progressi sulla buona strada".

    Preparazione di sistemi nucleocapside del virus Ebola per simulazioni di dinamica molecolare atomistica. Il monomero del virus conteneva tre domini strutturali nucleoproteici:braccio N-terminale (giallo), lobo N-terminale (marrone), e lobo C-terminale (verde scuro), e un segmento di RNA legato (rosso). Credito:Juan R. Perilla, Università del Delaware.

    Il team ha sviluppato una simulazione di dinamica molecolare del nucleocapside di Ebola, un sistema che contiene 4,8 milioni di atomi. Hanno usato la struttura della microscopia crioelettronica del virus Ebola pubblicata su Nature nell'ottobre 2018 per i loro dati nella costruzione del modello.

    "Abbiamo costruito due sistemi, " ha detto il coautore dello studio Chaoyi Xu, un dottorato di ricerca studente del Perilla Lab. "Un sistema è il nucleocapside di Ebola con l'RNA. E l'altro è solo il nucleocapside come controllo".

    "Dopo aver costruito l'intero tubo, mettiamo ogni nucleocapside in un ambiente simile alla cellula, " ha spiegato Xu. In pratica hanno aggiunto ioni di cloruro di sodio, e quindi regolato la concentrazione in modo che corrisponda a quella trovata nel citoplasma. Hanno anche messo una scatola d'acqua all'interno attorno al nucleocapside. "E poi abbiamo eseguito una simulazione molto potente, " aggiunse Xu.

    L'Extreme Science and Engineering Discovery Environment (XSEDE), finanziato dalla NSF, ha assegnato al team le allocazioni di supercalcolo sul sistema Stampede2 presso il Texas Advanced Computing Center e sul sistema Bridges del Pittsburgh Supercomputing Center.

    "Siamo molto grati per le risorse del supercomputer fornite da XSEDE che hanno reso possibile questo lavoro. XSEDE ha anche fornito formazione attraverso corsi online che sono stati utili, " disse Xu.

    "Su Stampede2, abbiamo accesso per eseguire simulazioni su centinaia o addirittura migliaia di nodi, " Xu ha continuato. "Questo ci rende possibile eseguire simulazioni di sistemi più grandi, Per esempio, nucleocapside di Ebola. Questa simulazione è impossibile da completare localmente. è molto importante, " Egli ha detto.

    "Mi piace come con Bridges, quando esegui una simulazione, puoi essere aggiornato su quando sarà completato e quando è iniziato, " ha aggiunto Nesterova. Ha detto che è stato utile per creare script Slurm, che aiutano a gestire e pianificare i lavori sui cluster di calcolo.

    "Abbiamo appena iniziato a utilizzare Frontera per il progetto Ebola, " ha aggiunto Xu. Frontera è il sistema Tier 1 di punta della NSF al TACC, classificato #9 nel mondo da Top500. "È più potente perché ha l'architettura CPU più recente. Ed è molto veloce, " Egli ha detto.

    "Frontera fa parte dell'infrastruttura TACC, " Disse Perilla. "Sapevamo quali strumenti di sviluppo ci sarebbero stati, e anche il sistema di code e altre complessità di queste macchine. Questo ha aiutato molto. In termini di architettura, conosciamo Stampede2, anche se questa è una macchina diversa. La nostra esperienza con Stampede2 ci ha permesso di muoverci rapidamente per iniziare a utilizzare Frontera, " Egli ha detto.

    Rappresentazione della superficie molecolare del nucleocapside del virus Ebola con RNA legato. Credito:Juan R. Perilla, Università del Delaware.

    Il team scientifico ha simulato l'interazione degli atomi nel nucleocapside del virus Ebola e ha misurato come cambiano nel tempo, fornendo utili informazioni sulle interazioni atomiche. Una delle cose che hanno scoperto è che senza l'RNA, il nucleocapside del virus Ebola ha mantenuto la sua forma a tubo. Ma l'impaccamento dei monomeri nucleoproteici divenne disordinato, e la sua simmetria elicoidale andò perduta. Con l'RNA, ha mantenuto la sua elica. I loro risultati hanno mostrato che il legame all'RNA ha stabilizzato l'elica e preservato la struttura del nucleocapside del virus Ebola.

    Il team ha anche scoperto importanti interazioni tra i residui nucleoproteici e l'ssRNA, e anche interazioni tra due nucleoproteine.

    "Esistono due tipi di interfacce tra le coppie di nucleoproteine ​​che formano la disposizione elicoidale. Abbiamo scoperto quale di queste interfacce svolge un ruolo più importante. Possiamo mirare a quell'interfaccia per destabilizzare la disposizione elicoidale o stabilizzare la disposizione elicoidale in larga misura tale che il nucleocapside del virus non è in grado di disassemblare, ", ha affermato il coautore dello studio Nidhi Katyal, un ricercatore post-dottorato nel Perilla Lab.

    Il virus Ebola è un organismo duro perché regola strettamente il suo assemblaggio macromolecolare. Perilla ha suggerito che invece di cercare di ideare farmaci che distruggano il nucleocapside, una buona strategia potrebbe essere quella di fare il contrario.

    "Se lo rendi troppo stabile, è abbastanza per uccidere il virus, " ha detto. Prendendo in prestito una strategia dal suo background nella ricerca sull'HIV, vuole trovare bersagli per i farmaci per stabilizzare eccessivamente il virus Ebola e impedirgli di rilasciare il suo materiale genetico, un passo fondamentale nella sua replica.

    Perilla ha suggerito una strategia simile per altri agenti patogeni che sono strettamente regolati, come coronavirus e virus dell'epatite B. "Sono un punto debole, per così dire. Sappiamo cosa conferisce stabilità. Altre squadre possono vedere se forse questo è un buon sito drogabile per renderlo ipostabile o iperstabile, " disse Perilla.

    Guardando avanti, Perilla ha indicato che il suo laboratorio esaminerà più da vicino le specifiche della sequenza di ssRNA e se conferisce stabilità al tubo del nucleocapside del virus Ebola. Se lo fa, quindi alcune regioni potrebbero essere esposte e potrebbero essere trascritte per prime, simile a quanto avviene nel nucleo della cellula. Perilla ha detto che sarebbe "inaudito in un virus, " e un comportamento estremamente avanzato in termini di regolazione della trascrizione dell'RNA.

    Disse Perilla:"Sappiamo che ci saranno più agenti patogeni che continueranno ad arrivare, in particolare con i coronavirus ora, e possono fermare il mondo. È vantaggioso per la società avere la capacità di studiare non solo un virus, ma prendendo queste tecniche per studiare un nuovo virus, qualcosa come i coronavirus. Inoltre, la capacità di formare nuovi studenti, come Tanya, fornisce ai contribuenti il ​​valore dei loro soldi in termini di formazione della prossima generazione, trasferire la conoscenza da altri virus, e combattere i problemi attuali".


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