I virus uccidono milioni di persone in tutto il mondo ogni anno. "Oltre al nuovo coronavirus, i principali killer virali includono l'epatite, HIV, HPV, " ha detto Lela Vukovic, Professore Associato di Chimica, Università del Texas a El Paso.

I ricercatori cercano costantemente di trovare nuove terapie che aiutino a prevenire l'infezione o ad agire terapeuticamente per ridurre i sintomi di un virus alla volta. "Un'altra strategia, "Vukovic ha detto "sarebbe quello di trovare terapie che siano ad ampio spettro e agiscano contemporaneamente su un numero di virus diversi".

Molte infezioni virali iniziano con il legame del virus alle molecole di eparan solfato sulla superficie della cellula ospite. Lavorando con sperimentali guidati da Francesco Stellacci del Politecnico federale di Losanna (EPFL), e in collaborazione con Petr Král presso l'Università dell'Illinois a Chicago, Vukovic ha aiutato a studiare le nanoparticelle con nuclei solidi e ligandi attaccati che imitano le molecole di eparan solfato e la loro azione microscopica su diversi virus.

Hanno scoperto che le nanoparticelle con determinati ligandi possono attaccarsi ai virus, che subito dopo potrebbe disintegrarsi.

"Tali materiali che distruggono i virus possono essere preparati, " Vukovic ha detto in un recente seminario presso il Texas Advanced Computing Center (TACC). "La domanda è:ci sono suggerimenti che possiamo ottenere dalla modellazione computazionale per progettare nuovi, materiali migliori e capire il meccanismo che provoca la rottura del capside del virus?"

Poiché le nanoparticelle sono minuscole, non possono essere rappresentati chiaramente a livello atomico e su scale temporali di microsecondi in cui si verificano le reazioni. Quindi Vukovic ha creato modelli della struttura atomica del virus, così come le nanoparticelle con attaccati ligandi di varie lunghezze.

Utilizzando i supercomputer TACC, ha simulato come le proteine ​​virali e le nanoparticelle interagiscono tra loro. Ha scoperto che il virus si lega e stabilisce numerosi contatti con ligandi più lunghi.

Non solo quello. Le nanoparticelle si legano alla giunzione di due proteine ​​e, come un cuneo, aumentare la distanza tra le proteine ​​virali, rompere i contatti e disintegrare il virus. I primi risultati della ricerca sono stati pubblicati in Materiali della natura nel 2018, e nuovi risultati, ottenuto dallo studente Parth Chaturvedi, sono stati pubblicati su bioRxiv (agosto 2021).

Disegni sfumati di nanosensori

L'interesse di Vukovic nel modellare le nanoparticelle per la medicina l'ha portata al suo prossimo progetto, aiutando a progettare nanosensori di piccole dimensioni, veloce, e abbastanza sensibile da rilevare quantità microscopiche di neurotrasmettitori nel cervello.

La base della tecnologia sono i nanotubi di carbonio:cilindri 10, 000 volte più sottili della media dei capelli umani, che hanno trovato applicazioni in vari campi, compresa l'elettronica, ottica, e più recentemente medicina.

Nanotubi di carbonio, o CNT, i ricercatori hanno scoperto, avere una proprietà insolita. Possono illuminarsi spontaneamente in determinate circostanze con una luce che può essere rilevata all'esterno del corpo. Però, non possono operare nel corpo senza modifiche.

Un approccio che si è dimostrato efficace prevede l'avvolgimento del CNT nel DNA. Il laboratorio Landry dell'Università della California, Berkeley stava sperimentando filamenti di DNA di varie lunghezze e composizioni per vedere se il CNT emetteva una forte emissione di luce quando esposto alla dopamina, e stavano ottenendo risultati contrastanti.

"L'approccio di screening funziona, ma non fornisce una buona comprensione del motivo per cui funziona o di come progettarlo meglio in futuro. Possiamo fare qualcosa di più sistematico?" ha chiesto Vukovic.

Ha intrapreso una serie di esperimenti computazionali su Stampede2, Il principale supercomputer di TACC all'epoca, esplorando la struttura 3D, panorama energetico, e modelli di legame di CNT avvolti con DNA.

Lei e il suo studente Ali Alizadehmojarad hanno scoperto che il DNA di una certa lunghezza avvolge il nanotubo come un anello, mentre altri lo avvolgono come un'elica o irregolarmente. Questi diversi modelli di legame portano a una diversa luminescenza in presenza di neurotrasmettitori. Il CNT avvolto nell'anello di un tipo di DNA, lei e il laboratorio Landry hanno trovato, era molto più efficace nel rilevare e segnalare la presenza di neurotrasmettitori. La ricerca è stata pubblicata in una serie di articoli in Nano lettere nel 2018 e Interfacce materiali avanzate nel 2020.

Nano-perno

Le sfide, e risultati del progetto del sensore, ha ispirato un'illuminazione a Vukovic.

Aveva esplorato con successo i misteri sperimentali dei CNT a livello atomico utilizzando simulazioni di dinamica molecolare e fornito approfondimenti critici. "Ma sto facendo solo una molecola alla volta, "Vukovic ha detto. "Come teorico, cosa posso contribuire? Se provo 10 molecole, Non gratto nemmeno la superficie".

La sua realizzazione l'ha portata a incorporare l'intelligenza artificiale e metodi basati sui dati nel suo approccio. "Abbiamo cambiato completamente la nostra ricerca; abbiamo appreso nuovi metodi. Negli ultimi due anni, ci abbiamo lavorato su".

Questo periodo di crescita e apprendimento ha portato Vukovic e il suo team, Payam Kelich e Huanhuan Zhao, al loro progetto più recente:lavorare con il laboratorio Landry alla scoperta di nuovi sensori ottici realizzati con coniugati DNA-CNT per rilevare la molecola di serotonina. Essendo una molecola chiave che influenza il nostro umore e la nostra felicità, c'è un grande interesse nel rilevare la presenza e le quantità di serotonina nei diversi tessuti del corpo.

Recentemente, Il laboratorio Vukovic ha sviluppato nuovi strumenti computazionali basati sull'intelligenza artificiale che addestrano i modelli a imparare dai dati sperimentali di Landry e prevedere nuovi sensori di serotonina.

La collaborazione sta dando i suoi frutti. Una prima carta, appena pubblicato su bioRxiv (agosto 2021), ha descritto gli sforzi per prevedere computazionalmente nuovi sensori di serotonina e convalidare sperimentalmente le previsioni. Finora, l'approccio ha portato alla scoperta di cinque nuovi sensori di serotonina DNA-CNT con una risposta più elevata rispetto a quanto osservato nei sensori precedenti. (Questa ricerca è supportata da una nuova sovvenzione della National Science Foundation.)

Vukovic è in grado di affrontare queste enormi e ambiziose sfide computazionali in parte grazie al suo accesso ad alcuni degli strumenti scientifici più all'avanguardia del pianeta attraverso il programma UTRC (University of Texas Research Cyberinfrastructure). Iniziato nel 2010, l'iniziativa fornisce potenti risorse informatiche e di dati senza alcun costo agli scienziati texani, ingegneri, studenti, e studiosi in tutte le 13 istituzioni del sistema UT.

"Nessuno di questi progetti sarebbe stato possibile senza TACC, " Ha detto Vukovic. "Quando eravamo pronti a correre, ci è stato dato il tempo di cui avevamo bisogno e siamo stati in grado di avanzare rapidamente e portare a termine le cose."

Come chimico computazionale, Vukovic dice che sta cercando di usare le sue conoscenze per contribuire ad applicazioni pratiche in medicina e oltre. "Stiamo pensando a fondo su come contribuire e lavorare su progetti in cui l'informatica può fare davvero la differenza".