Per capire meglio come si comporta il nuovo coronavirus e come può essere fermato, gli scienziati hanno completato una mappa tridimensionale che rivela la posizione di ogni atomo in una molecola enzimatica fondamentale per la riproduzione di SARS-CoV-2.

I ricercatori dell'Oak Ridge National Laboratory del Dipartimento dell'Energia hanno utilizzato la diffusione di neutroni per identificare le informazioni chiave per migliorare l'efficacia degli inibitori di farmaci progettati per bloccare il meccanismo di replicazione del virus. La ricerca è pubblicata su Journal of Biological Chemistry .

Il virus SARS-CoV-2, che causa la malattia COVID-19, esprime lunghe catene di proteine ​​composte da circa 1, 900 residui di amminoacidi. Perché il virus si riproduca, queste catene devono essere scomposte e tagliate in filamenti più piccoli da un enzima chiamato proteasi principale. L'enzima proteasi attivo è formato da due molecole proteiche identiche tenute insieme da legami idrogeno. Lo sviluppo di un farmaco che inibisca o blocchi l'attività della proteasi impedirà al virus di replicarsi e diffondersi ad altre cellule del corpo.

"Questa nuova informazione è esattamente ciò che è necessario per progettare inibitori con un più alto grado di specificità, assicurando che le molecole inibitrici si leghino molto strettamente ai bersagli previsti e disabilitando la proteasi, " ha detto Andrey Kovalevsky di ORNL, autore corrispondente.

Gli esperimenti sui neutroni hanno rivelato per la prima volta che il sito contenente gli amminoacidi in cui vengono tagliate le catene proteiche si trova in uno stato reattivo con carica elettrica e non in uno stato di riposo o neutro, contraria alle convinzioni precedenti. Secondo, hanno mappato la posizione di ciascun atomo di idrogeno nei luoghi in cui gli inibitori si sarebbero legati all'enzima proteasi, così come le cariche elettriche degli amminoacidi associati. Gli esperimenti hanno anche tracciato l'intera rete di legami idrogeno tra le molecole proteiche che tengono insieme l'enzima e gli consentono di avviare il processo chimico di taglio delle catene proteiche.

"La metà degli atomi nelle proteine ​​sono idrogeno. Quegli atomi sono attori chiave nella funzione enzimatica e sono essenziali per il modo in cui i farmaci si legano, " ha detto Kovalevsky. "Se non sappiamo dove sono quegli idrogeni e come le cariche elettriche sono distribuite all'interno della proteina, non possiamo progettare inibitori efficaci per l'enzima."

Lo studio sui neutroni del team si basa su ricerche precedenti pubblicate sulla rivista Comunicazioni sulla natura , creando una struttura atomica completa dell'enzima proteasi. I ricercatori hanno anche reso i loro dati pubblicamente disponibili alla comunità scientifica prima che entrambi i documenti fossero pubblicati per accelerare le soluzioni alla pandemia globale.

I neutroni sono sonde ideali per studiare le strutture biologiche perché sono non distruttivi e altamente sensibili agli elementi leggeri come l'idrogeno. Gli esperimenti di diffusione di neutroni sono stati eseguiti presso l'High Flux Isotope Reactor e la Spallation Neutron Source presso l'ORNL. I campioni di proteine ​​sono stati sintetizzati in strutture adiacenti presso il Centro di biologia molecolare strutturale.

"Questa potrebbe essere la struttura di neutroni più veloce mai prodotta da una proteina. Abbiamo iniziato gli esperimenti sui neutroni a maggio, ed entro cinque mesi, abbiamo ottenuto e pubblicato i nostri risultati. È qualcosa che di solito richiede anni, " ha detto l'autore corrispondente di ORNL Leighton Coates. "Questo lavoro dimostra cosa possiamo fare a Oak Ridge. Tutto è stato fatto qui dall'inizio alla fine. Le proteine ​​sono state espresse, purificato, e cristallizzato, e tutti i dati sono stati raccolti e analizzati in loco, un approccio completamente integrato verticalmente."

Il team ora utilizzerà le informazioni appena ottenute per studiare le proprietà di legame dei candidati alla molecola di farmaco per produrre terapie migliorate contro il COVID-19.

"Non solo è la prima volta che qualcuno ha ottenuto una struttura di neutroni di una proteina del coronavirus, ma è anche la prima volta che qualcuno ha osservato questa classe di enzimi proteasi usando neutroni, " ha detto Daniel Kneller di ORNL, primo autore dello studio. "È un eccezionale esempio di cristallografia di neutroni al servizio della comunità quando ne ha più bisogno".