I raggi X consentono ai ricercatori di mappare la struttura 3-D delle proteine ​​rilevanti per le malattie su scala molecolare e atomica, e la struttura a raggi X Advanced Light Source (ALS) del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab's) è stata richiamata all'azione per sostenere la ricerca relativa a COVID-19, la malattia da coronavirus che ha già contagiato circa 2 milioni di persone in tutto il mondo.

Un piccolo team di personale presso la SLA, che produce fasci di raggi X e altri tipi di luce per supportare un'ampia varietà di esperimenti per i ricercatori di tutto il mondo, il 31 marzo ha lanciato diversi esperimenti per altri scienziati che hanno controllato il lavoro a distanza.

A quest'ora, solo gli esperimenti approvati relativi a COVID-19 sono consentiti presso la SLA:la maggior parte del personale e degli esperimenti presso la SLA e il Berkeley Lab sono stati messi da parte a causa di ordini di ricovero in loco volti a limitare la diffusione del virus.

Un piccolo gruppo di personale ALS che gestisce l'acceleratore e garantisce operazioni sicure ha supportato il lavoro in loco da quando gli esperimenti sono ripresi.

Gli esperimenti ALS appositamente approvati, che sono stati autorizzati dalla direzione del Berkeley Lab, sono stati finora condotti da singoli scienziati che lavorano in siti sperimentali separati, noto come linee di luce, nella struttura ALS al fine di mantenere il distanziamento sociale. Inoltre, i lavoratori in loco stanno adottando ulteriori precauzioni per la sicurezza, come la regolare sanificazione delle attrezzature.

Nessuno del lavoro coinvolge campioni vivi del virus SARS-CoV-2 che causa COVID-19. I campioni includono proteine ​​virali cristallizzate che non possono causare infezioni. Ulteriori campioni da analizzare includono proteine ​​della cellula ospite necessarie per l'infezione da parte del virus.

"Tutti quelli con cui ho parlato stanno adottando un approccio 'tutto', "ha detto Jay Nix, un partecipante ai nuovi esperimenti che è direttore della linea di luce per il Consorzio di biologia molecolare, che supporta e gestisce una linea di luce presso l'ALS (Beamline 4.2.2) ed è un affiliato e partner del laboratorio.

"Ogni idea è sul tavolo, "Nix ha detto, comprese le esplorazioni della forma e della funzione delle proteine ​​appuntite che spuntano dal virus COVID-19 nelle immagini colorate ormai onnipresenti visualizzate nei siti Web e negli articoli di notizie relativi a COVID-19.

Gli studi strutturali possono portare a farmaci che prendono di mira e attaccano il virus lasciando intatti altri sistemi vitali, Per esempio, o che possono altrimenti migliorare le difese dell'organismo contro il virus.

"Ci sono proteine ​​che compongono la struttura del virus e un gran numero di altre, proteine ​​non strutturali che aiutano nel ciclo di infezione del virus, " ha detto Marc Allaire, uno scienziato della linea di luce presso la SLA che supporta diverse linee di luce gestite dal Berkeley Center for Structural Biology. Il centro riceve supporto dai membri partecipanti per questo lavoro, anche da un grande gruppo di aziende farmaceutiche negli Stati Uniti e a livello internazionale.

Il centro fa parte della divisione di Biofisica Molecolare e Bioimmagini Integrate (MBIB) del Laboratorio, che è collegato a tutte le linee di luce e al personale che partecipano al lotto iniziale di esperimenti relativi al COVID-19 approvati.

I primi esperimenti dopo il riavvio della SLA hanno utilizzato tre linee di luce della SLA (linee di luce 4.2.2, 5.0.1, e 5.0.2) che sono tutti specializzati in cristallografia macromolecolare, una tecnica per apprendere la struttura 3D delle proteine, virus, e altri campioni irradiando raggi X nelle loro forme cristallizzate.

La luce dei raggi X che colpisce i cristalli produce modelli che i computer elaborano poi in ricostruzioni 3D dei campioni.

"Sono lieto che la SLA sia in grado di contribuire a questo importante lavoro e mettere i suoi strumenti a disposizione della comunità di ricerca delle bioscienze, " ha dichiarato il direttore della SLA Steve Kevan. "Voglio ringraziare personalmente i nostri scienziati della linea di luce e il personale operativo per aver lavorato insieme per far sì che ciò accada in circostanze molto difficili".

Il direttore di MBIB Paul Adams ha dichiarato:"È una testimonianza dell'importanza della SLA per questo tipo di ricerca biomedica che così tanti gruppi hanno richiesto l'accesso per aiutare nei loro sforzi per affrontare COVID-19. Le linee di luce utilizzate per il lavoro di cristallografia hanno sviluppato una capacità di "risposta rapida" diversi anni fa, con accesso remoto e raccolta e analisi automatizzata dei dati, e quindi erano pronti a partire con slancio quando si è verificata questa crisi".

Il lavoro che è stato approvato presso l'ALS include esperimenti proprietari di diverse aziende farmaceutiche:Novartis con sede in Svizzera, che ha un ufficio a Emeryville, California; Vir Biotechnology con sede a San Francisco; e IniXium con sede in Canada, un'organizzazione di ricerca a contratto per la scoperta di farmaci al servizio dell'industria biotecnologica statunitense.

Anche nel primo lotto ci sono esperimenti di cristallografia da parte di un gruppo di ricercatori del laboratorio di David Veesler, professore associato all'Università di Washington. Quel team si sta concentrando sulle proteine ​​appuntite sulla superficie del virus COVID-19, che il virus usa per legarsi ed entrare nelle cellule ospiti, e come neutralizzarli.

Un'altra squadra, guidato da Daved Fremont, professore alla Washington University di Saint Louis, invierà campioni cristallizzati alla SLA, così come una squadra guidata da James Hurley, la cattedra Judy C. Webb e professore di biochimica, biofisica, e biologia strutturale all'Università di Berkeley.

Hurley ha detto che tre biologi strutturali nel suo laboratorio stanno lavorando alla ricerca COVID-19:Tom Flower, Cosmo Bufalo, e Neve Ren. I ricercatori "hanno un'enorme esperienza con la cristallografia a raggi X e la microscopia crioelettronica, "un'altra tecnica per esplorare campioni biologici, Egli ha detto.

"Hanno iniziato a lavorare su diversi progetti per caratterizzare le strutture coinvolte nella replicazione del virus, con un'enfasi sulla comprensione di come le proteine ​​virali interagiscono con le proteine ​​e le membrane dell'ospite, e sulla rapida applicazione di queste informazioni alla scoperta di farmaci antivirali in collaborazione con altri nel campus, " Ha aggiunto.

Durante la pandemia di AIDS degli anni '80, Hurley ha cambiato campo dalla fisica alla biologia strutturale. "Ho visto come la biologia strutturale ha aiutato in modo fondamentale nella creazione degli antivirali dell'HIV che hanno reso l'AIDS una malattia curabile invece di una condanna a morte. Quell'esperienza mi dà una prospettiva su come la biologia strutturale può aiutare a creare nuovi antivirali, " Egli ha detto.

Un team guidato da Natalie Strynadka, un professore di biochimica presso l'Università della British Columbia in Canada, si prevede inoltre di spedire campioni di cristallo per esperimenti sulla SLA. Strynadka ha detto che il suo laboratorio sta collaborando con un team a Vancouver, Canada, identificare piccoli inibitori molecolari che rallentano la principale proteasi virale di COVID-19 (MPro), un enzima che scompone le proteine ​​in forme più piccole.

Nei lavori correlati, il suo laboratorio sta lavorando con la Venatorx Pharmaceuticals con sede in Pennsylvania e un team guidato da David Baker presso l'Università di Washington per identificare gli inibitori dell'MPro. "Capire dove e come questi inibitori si legano a MPro utilizzando la cristallografia a raggi X sarà fondamentale per guidare l'ulteriore sviluppo, " lei disse.

Ralf Bartenschlager, un virologo e professore all'Università di Heidelberg in Germania, invierà campioni di cellule infette da COVID-19, reso inattivo, per lo studio utilizzando una tecnica nota come tomografia a raggi X molli. In questo sforzo di collaborazione, l'obiettivo è svelare come l'infezione da parte del virus SARS-CoV-2 altera la struttura e l'organizzazione delle cellule infette, con l'obiettivo a lungo termine di identificare bersagli virali e cellulari perturbati dall'infezione che siano adatti alla terapia antivirale. L'esperimento sarà supervisionato da Carolyn Larabell del Lab, anche professore alla UC San Francisco e direttore del National Center for X-ray Tomography, che sviluppa tecnologie di imaging per la ricerca biologica e biomedica.

La SLA chiede anche alla comunità di ricerca di presentare altre proposte per esperimenti relativi a COVID-19, ha detto Nix.

La dirigenza di ALS e Berkeley Lab sta valutando se aprire ulteriori funzionalità a raggi X, come lo scattering di raggi X a piccolo angolo (SAXS) e lo scattering di raggi X ad ampio angolo, che consente la caratterizzazione ad alta velocità di campioni biologici che possono essere in una forma più naturale rispetto a quanto consentito da altre tecniche.

Greg Hura, un ricercatore MBIB e professore aggiunto associato presso l'UC Santa Cruz che gestisce la linea di fascio SIBYLS (Structurally Integrated BilogY for the Life Sciences) 12.3.1 presso l'ALS che conduce esperimenti SAXS, disse, "SIBYLS può anche svolgere un ruolo in un consorzio di laboratori multi-tecnica e multinazionale per visualizzare le potenziali debolezze del virus COVID-19, e aiutare a sviluppare nuove diagnosi."

Ha aggiunto, "I genomi virali (sequenze di DNA) sono piccoli ma le grandi molecole che codificano sono trasformatori che possono adottare molte funzioni in contesti diversi. SAXS fornisce una strada per studiare questi sistemi nei molti contesti in cui potrebbero essere presi di mira, e può identificare gli stati che sono più suscettibili di visualizzarli a una risoluzione più elevata."

Nix ha notato che Beamline 4.2.2, che opera, e alcune altre linee di luce presso l'ALS utilizzano sistemi robotici di consegna dei campioni in modo che, una volta riempiti di campioni, gli esperimenti possono funzionare in gran parte tramite telecomando.

"Non ho un utente in loco da oltre 5 anni, " Egli ha detto.

C'è voluto un lavoro di squadra, dai dirigenti e dallo staff della SLA alla leadership del Berkeley Lab, per realizzare la ricerca relativa al COVID-19, Ha notato Nix. "Stavano lavorando, anche prima che le luci si spegnessero, ' al laboratorio, per vedere cosa potevamo fare".

Ha anche notato che una varietà di fonti di finanziamento della ricerca stanno rendendo possibile questo lavoro. "È pubblico, privato, e il sostegno del governo si uniscono, che è davvero bello da vedere, " Egli ha detto.