Un equipo de investigadores de los laboratorios nacionales Oak Ridge y Argonne del Departamento de Energía ha realizado las primeras mediciones de rayos X a temperatura ambiente en la proteasa principal SARS-CoV-2, la enzima que permite que el virus se reproduzca.
Las mediciones de rayos X marcan un primer paso importante en el objetivo final de los investigadores de construir un modelo 3D integral de la proteína enzimática. El modelo se utilizará para avanzar en las simulaciones de supercomputación destinadas a encontrar inhibidores de fármacos para bloquear el mecanismo de replicación del virus yayudar a poner fin a la pandemia de COVID-19. Sus resultados de investigación están disponibles públicamente y han sido publicados en la revista Comunicaciones de la naturaleza .
El SARS-CoV-2 es el virus que causa la enfermedad COVID-19. El virus se reproduce expresando largas cadenas de proteínas que la enzima proteasa debe cortar en longitudes más pequeñas.
"La proteasa es indispensable para el ciclo de vida del virus. La proteína tiene la forma de un corazón de San Valentín, pero realmente es el corazón del virus que le permite replicarse y propagarse. Si inhibe la proteasa y detiene el corazón,el virus no puede producir las proteínas que son esenciales para su replicación. Es por eso que la proteasa se considera un objetivo farmacológico tan importante ", dijo Andrey Kovalevsky, autor correspondiente de ORNL. Si bien se conoce la estructura de los cristales conservados criogénicamente," esta es la primera vezLa estructura de esta enzima se ha medido a temperatura ambiente, lo cual es significativo porque está cerca de la temperatura fisiológica donde operan las células ".
Construir un modelo completo de la estructura de la proteína requiere identificar cada elemento dentro de la estructura y cómo están organizados. Los rayos X son ideales para detectar elementos pesados como los átomos de carbono, nitrógeno y oxígeno. Debido a la intensidad de los rayos XEn la mayoría de las instalaciones de sincrotrón a gran escala, las muestras biológicas generalmente deben congelarse criogénicamente a alrededor de 100 K, o aproximadamente menos 280 grados Fahrenheit, para soportar la radiación el tiempo suficiente para que se recopilen los datos.
Para extender la vida útil de las muestras de proteínas cristalizadas y medirlas a temperatura ambiente, los investigadores de ORNL hicieron crecer los cristales más grandes de lo necesario para los estudios crio sincrotrónicos y utilizaron una máquina de rayos X interna que presenta un haz menos intenso.
"El crecimiento de cristales de proteínas y la recopilación de datos es un proceso tedioso y lento. En el tiempo que generalmente lleva preparar y enviar la muestra a un sincrotrón, pudimos cultivar los cristales, tomar las medidas y comenzar a analizar los datos", dijo Daniel Kneller de ORNL, el primer autor del estudio." Y, cuando hay una pandemia con muchos científicos que se movilizan para estudiar este problema, no hay un día libre ".
La enzima proteasa consiste en cadenas de aminoácidos con un patrón repetitivo de átomos de nitrógeno-carbono-carbono que forman la columna vertebral de la proteína. Los grupos laterales de los bloques de construcción de aminoácidos, o "residuos", se extienden desde cada uno de losátomos de carbono del esqueleto. La enzima se pliega en una forma tridimensional específica, creando bolsas especiales donde se uniría una molécula de fármaco.
El estudio reveló disparidades estructurales significativas entre las orientaciones de la columna vertebral y algunos de los residuos en las muestras criogénicas a temperatura ambiente. La investigación sugiere que la congelación de los cristales puede introducir artefactos estructurales que podrían resultar en una comprensión menos precisa de la proteasaestructura.
Los resultados del equipo se comparten con los investigadores, dirigidos por el presidente del gobernador de la Universidad de Tennessee, ORNL, Jeremy Smith, que están realizando simulaciones de atraque de drogas utilizando Summit en ORNL, la supercomputadora más rápida del país.
"Lo que los investigadores están haciendo en Summit es tomar compuestos farmacológicos conocidos y tratar de vincularlos computacionalmente a la proteasa principal para la reutilización de fármacos, así como buscar nuevas pistas en otros posibles candidatos a fármacos", dijo el autor correspondiente de ORNL, Leighton Coates ".Nuestros datos de temperatura ambiente se están utilizando para construir un modelo más preciso para esas simulaciones y mejorar las actividades de diseño de fármacos ".
El siguiente paso de los investigadores para completar el modelo 3D de la proteasa principal del SARS-CoV-2 es utilizar la dispersión de neutrones en el Reactor de isótopos de alto flujo de ORNL y la Fuente de neutrones de espalación. Los neutrones son esenciales para localizar los átomos de hidrógeno, que juegan unpapel fundamental en muchas de las funciones catalíticas y esfuerzos de diseño de medicamentos.
El ADN del plásmido de proteasa utilizado para fabricar la enzima fue proporcionado por el Centro de Biología Estructural de Argonne en la Fuente de Fotones Avanzados. La cristalización de las proteínas utilizadas en los experimentos de dispersión de rayos X se realizó en el Centro de Biología Estructural y Molecular de ORNL.
Además de Kovalevsky, Kneller y Coates, los autores del artículo son Gwyndalyn Phillips de ORNL, Hugh M. O'Neill y Paul Langan; y Robert Jedrzejczak de Argonne, Lucy Stols y Andrzej Joachimiak.
El trabajo fue financiado por el programa de Investigación y Desarrollo Dirigido por Laboratorio de ORNL, el Instituto Nacional de Alergias y Enfermedades Infecciosas de los Institutos Nacionales de Salud y la Fundación Nacional de Ciencias, con el apoyo de las instalaciones de la Oficina de Ciencia del DOE.
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