Il virus che sta devastando le nostre vite è un'efficiente macchina di infezione. Composto da sole 29 proteine ​​(rispetto alle nostre 400, 000), con un genoma 1/200, 000 delle dimensioni del nostro, SARS-CoV-2 è sapientemente evoluto per ingannare le nostre cellule affinché contribuiscano con i suoi macchinari alla sua propagazione.

Negli ultimi mesi, gli scienziati hanno imparato molto sui meccanismi di questo nemico senza cervello. Ma quello che abbiamo imparato impallidisce ancora in confronto a quello che non sappiamo.

Esistono diversi modi in cui gli scienziati scoprono il funzionamento di un virus. Solo utilizzando questi metodi in tandem possiamo trovare e sfruttare i punti deboli del coronavirus, dice Ahmet Yildiz, professore associato di Fisica e Biologia Cellulare Molecolare presso l'Università della California, Berkeley.

Yildiz e il suo collaboratore Mert Gur dell'Università tecnica di Istanbul stanno combinando simulazioni di dinamica molecolare alimentate da supercomputer con esperimenti su singole molecole per scoprire i segreti del virus. In particolare, stanno studiando la sua proteina spike (S), la parte del virus che si lega alle cellule umane e inizia il processo di inserimento dell'RNA virale nella cellula.

"Molti gruppi stanno attaccando diverse fasi di questo processo, " Gur ha detto. "Il nostro obiettivo iniziale è quello di utilizzare simulazioni di dinamica molecolare per identificare i processi che si verificano quando il virus si lega alla cellula ospite".

Ci sono tre fasi critiche che consentono alla proteina spike di irrompere nella cellula e iniziare a replicarsi, Yildiz dice.

Primo, la proteina spike deve trasformarsi da una configurazione chiusa a una aperta. Secondo, la proteina spike si lega al suo recettore all'esterno delle nostre cellule. Questo legame innesca un cambiamento conformazionale all'interno della proteina del picco e consente a un'altra proteina umana di tagliare il picco. Finalmente, la superficie appena esposta della punta interagisce con la membrana della cellula ospite e consente all'RNA virale di entrare e dirottare la cellula.

All'inizio di febbraio, le immagini al microscopio elettronico hanno rivelato la struttura della proteina spike. Ma le istantanee hanno mostrato solo le principali configurazioni che la proteina assume, non il transitorio, tra i passaggi. "Vediamo solo istantanee di conformazioni stabili, "Ha detto Yildiz. "Poiché non conosciamo i tempi degli eventi che consentono alla proteina di passare da una conformazione stabile a quella successiva, non conosciamo ancora quelle conformazioni intermedie."

È qui che entra in gioco la modellazione al computer. Le immagini del microscopio forniscono un utile punto di partenza per creare modelli di ogni atomo della proteina, e il suo ambiente (acqua, ioni, e i recettori della cellula). Da li, Yildiz e Gur hanno messo in moto la proteina e hanno guardato per vedere cosa fosse successo.

"Abbiamo dimostrato che la proteina S visita uno stato intermedio prima di potersi agganciare alla proteina recettore sulla membrana della cellula ospite", ha detto Gur. "Questo stato intermedio può essere utile per il targeting dei farmaci per impedire alla proteina S di avviare l'infezione virale".

Mentre molti altri gruppi in tutto il mondo stanno sondando la tasca vincolante del virus, sperando di trovare un farmaco in grado di impedire al virus di attaccarsi alle cellule umane, Yildiz e Gur stanno adottando un approccio più sfumato.

"La proteina spike si lega fortemente al suo recettore con una complessa rete di interazione, " ha spiegato Yildiz. "Abbiamo dimostrato che se si interrompe solo una di queste interazioni, non sarai ancora in grado di fermare la rilegatura. Ecco perché alcuni degli studi di base sullo sviluppo dei farmaci potrebbero non produrre i risultati desiderati".

Ma se è possibile impedire alla proteina spike di passare da uno stato chiuso a uno aperto, o un terzo, stato intermedio di cui non siamo nemmeno consapevoli dello stato aperto, che potrebbe prestarsi a un trattamento.

Trova, e rompere, i legami importanti

Il secondo uso di simulazioni al computer da parte di Yildiz e Gur ha identificato non solo nuovi stati, ma gli amminoacidi specifici che stabilizzano ogni stato.

"Se siamo in grado di determinare gli importanti legami a livello del singolo amminoacido, quali interazioni stabilizzano e sono fondamentali per queste conferme, potrebbe essere possibile mirare a quegli stati con piccole molecole, " ha detto Yildiz.

La simulazione di questo comportamento a livello dell'atomo o del singolo amminoacido è incredibilmente impegnativa dal punto di vista computazionale. A Yildiz e Gur è stato concesso del tempo sul supercomputer Stampede2 presso il Texas Advanced Computing Center (TACC), il secondo supercomputer più veloce in un'università degli Stati Uniti e il 19esimo in assoluto, attraverso il COVID-19 HPC Consortium. Simulare un microsecondo del virus e le sue interazioni con le cellule umane - circa un milione di atomi in totale - richiede settimane su un supercomputer... e senza uno ci vorrebbero anni.

"È un processo computazionalmente impegnativo, " Yildiz ha detto. "Ma il potere predittivo di questo approccio è molto potente".

Yildiz e Gur squadra, insieme a circa 40 altri gruppi di ricerca che studiano COVID-19, hanno avuto accesso prioritario ai sistemi TACC. "Non siamo limitati dalla velocità con cui avvengono le simulazioni, quindi c'è una gara in tempo reale tra la nostra capacità di eseguire simulazioni e analizzare i dati".

Con il tempo dell'essenza, Gur e i suoi collaboratori hanno sfornato calcoli, rievocando le peregrinazioni atomiche della proteina spike mentre si avvicina, si lega a, e interagisce con i recettori dell'enzima di conversione dell'angiotensina 2 (ACE2), proteine ​​che rivestono la superficie di molti tipi di cellule.

Le loro prime scoperte, che ha proposto l'esistenza di uno stato semi-aperto intermedio della proteina S compatibile con il legame RBD-ACE2 tramite simulazioni di dinamica molecolare (MD) di tutti gli atomi, è stato pubblicato in Giornale di Fisica Chimica .

Per di più, eseguendo simulazioni MD di tutti gli atomi, hanno individuato un'estesa rete di ponti di sale, interazioni idrofobiche ed elettrostatiche, e legame idrogeno tra il dominio di legame al recettore della proteina spike e ACE2. I risultati di questi risultati sono stati pubblicati in BioRxiv.

La mutazione dei residui sul dominio di legame al recettore non era sufficiente per destabilizzare il legame, ma ha ridotto il lavoro medio per separare la proteina spike da ACE2. Propongono che il blocco di questo sito tramite anticorpi neutralizzanti o nanocorpo potrebbe rivelarsi una strategia efficace per inibire le interazioni picco proteina-ACE2.

Per confermare che le informazioni derivate dal computer sono accurate, Il team di Yildiz ha eseguito esperimenti di laboratorio utilizzando il trasferimento di energia per risonanza di fluorescenza a singola molecola (o smFRET), una tecnica biofisica utilizzata per misurare le distanze su una scala da uno a 10 nanometri in singole molecole

"La tecnica ci permette di vedere i cambiamenti conformazionali della proteina misurando il trasferimento di energia tra due sonde che emettono luce, " ha detto Yildiz.

Sebbene gli scienziati non abbiano ancora una tecnica per vedere i dettagli atomici delle molecole in movimento in tempo reale, la combinazione di microscopia elettronica, imaging di singole molecole, e le simulazioni al computer possono fornire ai ricercatori un quadro ricco del comportamento del virus, Yildiz dice.

"Possiamo ottenere istantanee a risoluzione atomica di molecole congelate utilizzando la microscopia elettronica. Possiamo ottenere simulazioni a livello atomico della proteina in movimento utilizzando la dinamica molecolare in una scala temporale breve. E utilizzando tecniche a singola molecola possiamo ricavare le dinamiche che mancano dall'elettrone microscopia e le simulazioni, " Yildiz ha concluso. "La combinazione di questi metodi insieme ci dà il quadro completo e analizza il meccanismo di un virus che entra nella cellula ospite".