No meio de uma pandemia global com COVID-19, é difícil avaliar a sorte que as pessoas de fora da África tiveram em evitar a mortal doença do vírus Ebola. Ele incapacita suas vítimas logo após a infecção com vômitos ou diarreia maciça, levando à morte por perda de fluido em cerca de 50 por cento dos afetados. O vírus Ebola se transmite apenas por meio de fluidos corporais, marcando uma diferença fundamental do vírus COVID-19 e um que ajudou a conter a propagação do Ebola.

Os surtos de ebola continuam a aumentar na África Ocidental, embora uma vacina desenvolvida em dezembro de 2019 e melhorias no cuidado e contenção tenham ajudado a manter o ebola sob controle. Simulações de supercomputadores por uma equipe da Universidade de Delaware que incluiu um aluno de graduação apoiado pelo programa XSEDE EMPOWER estão adicionando à mistura e ajudando a quebrar as defesas do material genético enrolado do Ebola. Esta nova pesquisa pode ajudar a levar a avanços no tratamento e vacinas melhoradas para o Ebola e outras doenças virais mortais, como o COVID-19.

"Nossas principais descobertas estão relacionadas à estabilidade do nucleocapsídeo do Ebola, "disse Juan R. Perilla, professor assistente do Departamento de Química e Bioquímica da Universidade de Delaware. Perilla é co-autora de um estudo publicado em outubro de 2020 no AIP Journal of Chemistry Physics . É focado no nucleocapsídeo, uma casca de proteína que protege contra as defesas do corpo o material genético que o Ebola usa para se replicar.

"O que descobrimos é que o vírus Ebola evoluiu para regular a estabilidade do nucleocapsídeo, formando interações eletrostáticas com seu RNA, seu material genético, "Perilla disse." Há uma interação entre o RNA e o nucleocapsídeo que o mantém unido. "

Como coronavírus, o vírus Ebola depende de um nucleocapsídeo em forma de bastonete e helicoidal para completar seu ciclo de vida. Em particular, proteínas estruturais chamadas nucleoproteínas se reúnem em um arranjo helicoidal para encapsular o genoma de RNA viral de fita simples (ssRNA) que forma o nucleocapsídeo.

O estudo de Perilla e sua equipe científica buscou os determinantes moleculares da estabilidade do nucleocapsídeo, como a forma como o material genético ssRNA é embalado, o potencial eletrostático do sistema, e o arranjo de resíduos na montagem helicoidal. Esse conhecimento é essencial para o desenvolvimento de novas terapêuticas contra o Ebola. No entanto, esses insights permanecem fora do alcance mesmo pelos melhores laboratórios experimentais do mundo. Simulações de computador, Contudo, pode e preencheu essa lacuna.

"Você pode pensar no trabalho de simulação como uma extensão teórica do trabalho experimental, "disse a co-autora do estudo Tanya Nesterova, um pesquisador de graduação no Laboratório Perilla. "Descobrimos que o RNA é altamente carregado negativamente e ajuda a estabilizar o nucleocapsídeo por meio da interação eletrostática com as nucleoproteínas em sua maioria carregadas positivamente, " ela disse.

A Nesterova recebeu financiamento por meio de um Mentoreamento Especialista XSEDE, produzindo oportunidades para o trabalho, Educação, e bolsa de pesquisa (EMPOWER) em 2019, que apóia a participação de alunos no próprio trabalho do XSEDE.

"Foi um programa eficaz, "disse ela." Usamos recursos computacionais como o Bridges neste verão. Também mantínhamos comunicação regular com o coordenador para manter nosso progresso no caminho certo. "

A equipe desenvolveu uma simulação de dinâmica molecular do nucleocapsídeo do Ebola, um sistema que contém 4,8 milhões de átomos. Eles usaram a estrutura de microscopia crioeletrônica do vírus Ebola publicada na Nature em outubro de 2018 para seus dados na construção do modelo.

“Construímos dois sistemas, "disse o co-autor do estudo Chaoyi Xu, um Ph.D. aluno do Perilla Lab. "Um sistema é o nucleocapsídeo do Ebola com o RNA. E o outro é apenas o nucleocapsídeo como controle."

"Depois de construirmos todo o tubo, colocamos cada nucleocapsídeo em um ambiente semelhante ao da célula, "Xu explicou. Eles basicamente adicionaram íons de cloreto de sódio, e então ajustou a concentração para coincidir com a encontrada no citoplasma. Eles também colocaram uma caixa d'água em torno do nucleocapsídeo. "E então rodamos uma simulação muito poderosa, "Xu acrescentou.

O Extreme Science and Engineering Discovery Environment (XSEDE) financiado pela NSF concedeu à equipe alocações de supercomputação no sistema Stampede2 no Texas Advanced Computing Center e no sistema Bridges do Pittsburgh Supercomputing Center.

“Estamos muito gratos pelos recursos de supercomputador fornecidos pelo XSEDE que permitiram que este trabalho fosse possível. O XSEDE também forneceu treinamento por meio de cursos online que foram úteis, "Xu disse.

"No Stampede2, temos acesso para executar simulações em centenas ou mesmo milhares de nós, "Xu continuou." Isso possibilita que façamos simulações de sistemas maiores, por exemplo, o nucleocapsídeo do Ebola. Esta simulação é impossível de terminar localmente. Isso é muito importante, " ele disse.

"Eu gosto de como com Bridges, quando você executa uma simulação, você pode estar atualizado sobre quando ele é concluído e quando começou, "Nesterova acrescentou. Ela disse que foi útil para criar scripts Slurm, que ajudam a gerenciar e agendar trabalhos em clusters de computação.

"Acabamos de começar a usar o Frontera para o projeto Ebola, "Xu acrescentou. Frontera é o principal sistema Tier 1 da NSF na TACC, classificada como a 9ª no mundo pela Top500. "É mais poderoso porque tem a arquitetura de CPU mais recente. E é muito rápido, " ele disse.

“O Frontera faz parte da infraestrutura do TACC, "Perilla disse." Nós sabíamos quais ferramentas de desenvolvimento estariam lá, e também o sistema de filas e outras complexidades dessas máquinas. Isso ajudou muito. Em termos de arquitetura, estamos familiarizados com Stampede2, embora esta seja uma máquina diferente. Nossa experiência com Stampede2 nos permitiu avançar rapidamente para começar a usar o Frontera, " ele disse.

A equipe de ciência simulou a interação dos átomos no nucleocapsídeo do vírus Ebola e mediu como eles mudam com o tempo, produzindo informações úteis sobre as interações atômicas. Uma das coisas que descobriram foi que sem o RNA, o nucleocapsídeo do vírus Ebola manteve sua forma de tubo. Mas o empacotamento dos monômeros de nucleoproteína tornou-se desordenado, e sua simetria helicoidal foi perdida. Com o RNA, manteve sua hélice. Seus resultados mostraram que a ligação do RNA estabilizou a hélice e preservou a estrutura do nucleocapsídeo do vírus Ebola.

A equipe também encontrou importantes interações entre os resíduos de nucleoproteína e o ssRNA, e também interações entre duas nucleoproteínas.

"Existem dois tipos de interfaces entre os pares de nucleoproteínas que formam o arranjo helicoidal. Descobrimos qual dessas interfaces desempenha um papel mais importante. Podemos direcionar essa interface para desestabilizar o arranjo helicoidal ou estabilizar o arranjo helicoidal em grande medida de modo que o nucleocapsídeo do vírus é incapaz de se desmontar, "disse o co-autor do estudo Nidhi Katyal, um pesquisador de pós-doutorado no Laboratório Perilla.

O vírus Ebola é um organismo resistente porque regula rigidamente sua montagem macromolecular. Perilla sugeriu que, em vez de tentar criar drogas que destruam o nucleocapsídeo, uma boa estratégia pode ser fazer o oposto.

"Se você torná-lo muito estável, isso é o suficiente para matar o vírus, "disse ele. Tomando emprestada uma estratégia de sua experiência em pesquisa de HIV, ele quer encontrar alvos para drogas que superestabilizem o vírus Ebola e evitem que ele libere seu material genético, uma etapa fundamental em sua replicação.

Perilla sugeriu uma estratégia semelhante para outros patógenos que são rigidamente regulamentados, como coronavírus e vírus da hepatite B. "Eles são um ponto ideal, por assim dizer. Nós sabemos o que confere estabilidade. Outras equipes podem verificar se este é um bom site drogável para torná-lo hipostável ou hiperestável, "Perilla disse.

Olhando para a frente, Perilla indicou que seu laboratório examinará mais de perto as especificações da sequência de ssRNA e se ela confere estabilidade ao tubo do nucleocapsídeo do vírus Ebola. Se isso acontecer, então, algumas regiões podem ser expostas e podem ser transcritas primeiro, semelhante ao que acontece no núcleo da célula. Perilla disse que seria "inédito em um vírus, "e comportamento extremamente avançado em termos de transcrição reguladora de RNA.

Disse Perilla:"Sabemos que haverá mais patógenos que continuarão chegando, particularmente com coronavírus agora, e eles podem parar o mundo. É benéfico para a sociedade ter a capacidade de estudar não apenas um vírus, mas usar essas técnicas para estudar um novo vírus, algo como coronavírus. Além disso, a capacidade de treinar novos alunos, como Tanya, fornece aos contribuintes o valor do seu dinheiro em termos de treinamento da próxima geração, transferindo conhecimento de outros vírus, e lutando contra os problemas atuais. "