Спустя почти полтора года эти трое ученых и их многочисленные сотрудники из трех национальных лабораторий опубликовали всеобъемлющее исследование в Biophysical Journal, которое – наряду с другими недавними дополнительными исследованиями белков и генетики коронавируса – представляет собой первый шаг к разработке методов лечения. для этой вирусной инфекции, ныне запечатленной в мировом сознании как COVID-19.
Их основополагающая работа была сосредоточена на белковой машине, которая позволяет вирусу SARS-CoV-2 захватывать молекулярные механизмы наших собственных клеток, чтобы размножаться внутри наших тел.
От структуры к функциям и решениям
«Было замечено, что все организмы являются лишь средством ДНК для создания копий самой себя, и нигде это не вернее, чем в случае вируса», – сказал Грег Хура, штатный научный сотрудник Национальной лаборатории Лоуренса Беркли (лаборатория Беркли). и один из ведущих авторов исследования. "Особая задача вируса – копировать его генетический материал – к сожалению, за наш счет."
Он добавил, что вирусы и млекопитающие, в том числе люди, застряли в этой битве на миллионы лет, и за это время вирусы разработали множество уловок, позволяющих скопировать свои гены внутри нас, в то время как наши тела выработали контрзащиту.
И хотя вирусы часто выполняют длинный список других действий, их способность причинить нам вред инфекцией действительно сводится к тому, могут ли они реплицировать свой генетический материал (РНК или ДНК, в зависимости от вида), чтобы производить больше вирусных частиц. и использовать наши клетки для преобразования их генетического кода в белки.
Основанная на белке машина, отвечающая за репликацию и трансляцию РНК в коронавирусах – и во многих других вирусах – называется комплексом транскрипции РНК (RTC), и это поистине грозное биологическое оружие.
Чтобы успешно дублировать вирусную РНК для новых вирусных частиц и произвести множество белков из новых частиц, RTC должен: различать вирусную РНК и РНК хозяина, распознавать и соединять основания РНК вместо очень похожих оснований ДНК, которые также широко распространены в клетках человека, преобразовывать их РНК в мРНК (чтобы обмануть человеческие рибосомы для трансляции вирусных белков), взаимодействовать с молекулами, проверяющими ошибки копирования, и транскрибировать определенные участки вирусной РНК для амплификации одних белков по сравнению с другими в зависимости от необходимости – при этом все время пытаясь избежать иммунитета хозяина. система, которая распознает его как чужеродный белок.
Как бы поразительно это ни звучало, любой недавно разработанный вирус, который добился успеха, «должен иметь невероятно сложные машины для преодоления механизмов, которые мы разработали», – объяснил Хура, возглавляющий отдел структурной биологии в отделе молекулярной биофизики и интегрированной биовизуализации лаборатории Беркли.
Он и другие руководители исследования – Анджей Йоахимиак из Аргоннской национальной лаборатории и Хью М. О’Нил из Окриджской национальной лаборатории – специализируется на раскрытии атомной структуры белков, чтобы понять, как они работают на молекулярном уровне. Итак, трио знало с того момента, как впервые обсудило COVID-19 за обеденным столом, что изучение RTC будет особенно сложным, потому что многозадачные белковые машины, такие как RTC, не являются статичными или жесткими, как молекулярные диаграммы или шариковые модели. мог бы предложить. Они гибкие и имеют связанные молекулы, называемые неструктурными и вспомогательными белками (Nsps), которые существуют во множестве быстро меняющихся форм в зависимости от поставленной задачи – подобно тому, как рычаг переключения передач на велосипеде быстро адаптирует автомобиль к изменениям. местность.
Каждая из этих схем Nsp дает представление о различных действиях белка, а также раскрывает различные части общей поверхности RTC, которую можно исследовать, чтобы найти места, где потенциальные молекулы лекарственного средства могут связываться и подавлять работу всей машины.
Итак, после их счастливого сближения в Вашингтоне, трио разработало план объединения своих знаний и ресурсов национальных лабораторий, чтобы задокументировать структуру как можно большего количества механизмов RTC и определить, как эти формы взаимодействуют с другими вирусными и человеческими молекулами.
Наука во время простоев
Исследование основывалось на объединении данных, собранных с помощью многих передовых методов визуализации, поскольку ни один подход сам по себе не может создать полные схемы инфекционных белков на атомном уровне в их естественном состоянии. Они объединили малоугловое рассеяние рентгеновских лучей (МУРР), рентгеновскую кристаллографию и малоугловое рассеяние нейтронов (МУРН), выполненные в Усовершенствованном источнике света лаборатории Беркли, Усовершенствованном источнике фотонов в Аргонне, а также в реакторе изотопных изотопов с высокой плотностью потока и расщеплении нейтронов в Ок-Ридж. Источник, соответственно, на образцах биосинтетических RTC.
Несмотря на необычайные препятствия при проведении научных исследований в условиях укрытия на месте, сотрудничество смогло работать непрерывно более 15 месяцев благодаря финансированию исследований и поддержки эксплуатации объектов Национальной виртуальной биотехнологической лаборатории Министерства энергетики США ( NVBL).
За это время ученые собрали подробные данные о ключевых вспомогательных белках RTC и их взаимодействиях с РНК. Все их выводы были загружены в банк данных Protein с открытым доступом до публикации статьи в журнале.
Из множества структурных открытий, которые помогут в разработке лекарств, одно примечательное открытие заключается в том, что сборка субъединиц RTC невероятно точна.
Еще раз используя механическую метафору, ученые сравнивают процесс сборки со сборкой пружинной машины. Вы не можете поставить пружину на место, когда остальная часть машины уже находится в нужном положении, вы должны сжать и поместить пружину на определенном этапе сборки, иначе все устройство неисправно. Точно так же RTC Nsps не может встать на место в произвольном или хаотическом порядке; они должны следовать определенному порядку операций.
Они также определили, как один из Nsps специфически распознает молекулы РНК, на которые он действует, и как он разрезает длинные нити скопированной РНК на их правильную длину.
"Вакцины, безусловно, важны.
Однако почему мы довольны только этим средством защиты??"сказал Хура. Иоахимиак добавил: «Это было исследование, в ходе которого было выявлено множество направлений, в которых мы и другие должны очень глубоко следовать; для борьбы с этим вирусом нам понадобятся несколько способов блокирования его распространения."
«Объединение информации из различных структурных методов и вычислений будет ключом к достижению этой цели», – сказал О’Нил.
Из-за сходства белков RTC в вирусных штаммах команда считает, что любые препараты, разработанные для блокирования активности RTC, могут работать при множественных вирусных инфекциях в дополнение ко всем вариантам COVID-19.
Возвращаясь к началу своего исследовательского пути, ученые удивляются удачному моменту всего этого. Когда мы начали разговаривать, сказал Хура, «мы понятия не имели, что эта эпидемия скоро превратится в пандемию, которая изменит поколение."
Это исследование было поддержано Управлением науки Министерства энергетики США через NVBL, консорциум национальных лабораторий Министерства энергетики, специализирующихся на реагировании на COVID-19, с финансированием, предоставленным Законом о коронавирусе CARES; и Национальными институтами здоровья.
Усовершенствованный источник света, усовершенствованный источник фотонов, реактор с изотопным потоком с высоким потоком и источник нейтронов расщепления – это объекты Управления науки Министерства энергетики США.