p O vírus que está causando estragos em nossas vidas é uma máquina de infecção eficiente. Composto por apenas 29 proteínas (em comparação com nossas 400, 000), com um genoma 1/200, 000 do tamanho do nosso, O SARS-CoV-2 é habilmente desenvolvido para enganar nossas células e contribuir com seu maquinário para auxiliar em sua propagação. p Nos últimos meses, os cientistas aprenderam muito sobre a mecânica desse inimigo irracional. Mas o que aprendemos ainda empalidece em comparação com o que não sabemos.

p Existem várias maneiras pelas quais os cientistas descobrem o funcionamento de um vírus. Somente usando esses métodos em conjunto, podemos encontrar e explorar os pontos fracos do coronavírus, disse Ahmet Yildiz, professor associado de Física e Biologia Celular Molecular da Universidade da Califórnia, Berkeley.

p Yildiz e seu colaborador Mert Gur, da Universidade Técnica de Istambul, estão combinando simulações de dinâmica molecular movidas a supercomputadores com experimentos de molécula única para descobrir os segredos do vírus. Em particular, eles estão estudando sua proteína spike (S), a parte do vírus que se liga às células humanas e inicia o processo de inserção do RNA viral na célula.

p “Muitos grupos estão atacando diferentes estágios desse processo, "Nosso objetivo inicial é usar simulações de dinâmica molecular para identificar os processos que acontecem quando o vírus se liga à célula hospedeira", disse Gur.

p Existem três fases críticas que permitem que a proteína spike entre na célula e comece a se replicar, Yildiz diz.

p Primeiro, a proteína spike precisa se transformar de uma configuração fechada para uma aberta. Segundo, a proteína spike liga-se ao seu receptor do lado de fora de nossas células. Essa ligação desencadeia uma mudança conformacional dentro da proteína do pico e permite que outra proteína humana clive o pico. Finalmente, a superfície recém-exposta do pico interage com a membrana da célula hospedeira e permite que o RNA viral entre e sequestre a célula.

p No início de fevereiro, As imagens do microscópio eletrônico revelaram a estrutura da proteína do pico. Mas os instantâneos mostraram apenas as principais configurações que a proteína assume, não o transicional, entre as etapas. "Só vemos instantâneos de conformações estáveis, "Yildiz disse." Porque não sabemos o momento dos eventos que permitem que a proteína vá de uma conformação estável para a próxima, ainda não conhecemos essas conformações intermediárias. "

p É aí que entra a modelagem por computador. As imagens do microscópio fornecem um ponto de partida útil para criar modelos de cada átomo da proteína, e seu ambiente (água, íons, e os receptores da célula). De lá, Yildiz e Gur colocaram a proteína em movimento e observaram para ver o que acontecia.

p "Nós mostramos que a proteína S visita um estado intermediário antes de poder se encaixar na proteína receptora na membrana da célula hospedeira", disse Gur. "Este estado intermediário pode ser útil para o direcionamento de drogas para evitar que a proteína S inicie a infecção viral."

p Enquanto muitos outros grupos ao redor do mundo estão investigando a bolsa de ligação do vírus, na esperança de encontrar uma droga que possa bloquear o vírus de se prender às células humanas, Yildiz e Gur estão adotando uma abordagem mais matizada.

p "A proteína spike se liga fortemente ao seu receptor com uma rede de interação complexa, "Yildiz explicou." Nós mostramos que se você apenas quebrar uma dessas interações, você ainda não conseguirá interromper a ligação. É por isso que alguns dos estudos básicos de desenvolvimento de medicamentos podem não produzir os resultados desejados. "

p Mas se for possível evitar que a proteína de pico passe de um estado fechado para aberto - ou um terceiro, estado intermediário do qual nem mesmo temos conhecimento para o estado aberto - que pode se prestar a um tratamento.

p Achar, e quebrar, os laços importantes

p O segundo uso de simulações de computador por Yildiz e Gur identificou não apenas novos estados, mas os aminoácidos específicos que estabilizam cada estado.

p "Se pudermos determinar as ligações importantes no nível de um único aminoácido - quais interações se estabilizam e são críticas para essas confirmações - pode ser possível atingir esses estados com moléculas pequenas, "Yildiz disse.

p Simular esse comportamento no nível do átomo ou aminoácido individual é incrivelmente computacionalmente intensivo. Yildiz e Gur ganharam tempo no supercomputador Stampede2 no Texas Advanced Computing Center (TACC) - o segundo supercomputador mais rápido em uma universidade dos EUA e o 19º mais rápido no geral - por meio do COVID-19 HPC Consortium. Simular um microssegundo do vírus e suas interações com células humanas - cerca de um milhão de átomos no total - leva semanas em um supercomputador ... e levaria anos sem um.

p "É um processo exigente computacionalmente, "Yildiz disse." Mas o poder de previsão desta abordagem é muito poderoso. "

p Equipe Yildiz e Gur, junto com aproximadamente 40 outros grupos de pesquisa estudando COVID-19, têm acesso prioritário aos sistemas TACC. "Não estamos limitados pela velocidade com que as simulações acontecem, portanto, há uma corrida em tempo real entre nossa capacidade de executar simulações e analisar os dados. "

p Com o tempo essencial, Gur e seus colaboradores passaram por cálculos, reencenando as peregrinações atômicas da proteína spike conforme ela se aproxima, liga-se a, e interage com os receptores da enzima conversora de angiotensina 2 (ACE2) - proteínas que revestem a superfície de muitos tipos de células.

p Suas descobertas iniciais, que propôs a existência de um estado semi-aberto intermediário da proteína S compatível com a ligação de RBD-ACE2 por meio de simulações de dinâmica molecular (MD) de todos os átomos, foi publicado no Journal of Chemical Physics .

p Além disso, realizando simulações de todos os átomos MD, eles identificaram uma extensa rede de pontes salgadas, interações hidrofóbicas e eletrostáticas, e ligação de hidrogênio entre o domínio de ligação ao receptor da proteína spike e ACE2. Os resultados dessas descobertas foram publicados no BioRxiv.

p A mutação dos resíduos no domínio de ligação ao receptor não foi suficiente para desestabilizar a ligação, mas reduziu o trabalho médio para desvincular a proteína de pico de ACE2. Eles propõem que o bloqueio desse local por meio de anticorpos neutralizantes ou nanocorpos pode ser uma estratégia eficaz para inibir as interações proteína-pico-ACE2.

p Para confirmar se os insights derivados do computador são precisos, A equipe de Yildiz realizou experimentos de laboratório usando transferência de energia de ressonância de fluorescência de molécula única (ou smFRET) - uma técnica biofísica usada para medir distâncias na escala de um a 10 nanômetros em moléculas individuais

p "A técnica nos permite ver as mudanças conformacionais da proteína medindo a transferência de energia entre duas sondas emissoras de luz, "Yildiz disse.

p Embora os cientistas ainda não tenham uma técnica para ver os detalhes atômicos das moléculas em movimento em tempo real, a combinação de microscopia eletrônica, imagem de molécula única, e simulações de computador podem fornecer aos pesquisadores uma imagem rica do comportamento do vírus, Yildiz diz.

p "Podemos obter instantâneos de resolução atômica de moléculas congeladas usando microscopia eletrônica. Podemos obter simulações em nível atômico da proteína em movimento usando dinâmica molecular em uma escala de tempo curta. E usando técnicas de molécula única, podemos derivar a dinâmica que está faltando no elétron microscopia e as simulações, "Yildiz concluiu." Combinar esses métodos nos dá uma imagem completa e disseca o mecanismo de um vírus que entra na célula hospedeira. "