p Os vírus matam milhões em todo o mundo a cada ano. "Além do novo coronavírus, os principais assassinos virais incluem hepatite, HIV, HPV, "disse Lela Vukovic, Professor Assistente de Química, Universidade do Texas em El Paso. p Os pesquisadores estão constantemente tentando descobrir novas terapêuticas que ajudem a prevenir a infecção ou atuem terapeuticamente para reduzir os sintomas de um vírus de cada vez. "Outra estratégia, "Vukovic disse, "seria encontrar terapias que fossem de amplo espectro e atuassem simultaneamente em uma série de vírus diferentes."

p Muitas infecções virais começam com a ligação do vírus a moléculas de sulfato de heparano na superfície da célula hospedeira. Trabalhando com experimentalistas liderados por Francesco Stellacci do Instituto Federal Suíço de Tecnologia de Lausanne (EPFL), e em colaboração com Petr Král da Universidade de Illinois em Chicago, Vukovic ajudou a investigar nanopartículas com núcleos sólidos e ligantes anexados que imitam as moléculas de sulfato de heparano e sua ação microscópica em vários vírus.

p Eles descobriram que nanopartículas com certos ligantes podem se anexar aos vírus, que logo depois pode se desintegrar.

p "Esses materiais destruidores de vírus podem ser preparados, "Vukovic disse em um seminário recente no Texas Advanced Computing Center (TACC)." A questão é:existem dicas que podemos obter da modelagem computacional para projetar novos, melhores materiais e entender o mecanismo que faz com que o capsídeo do vírus se quebre? "

p Como as nanopartículas são minúsculas, eles não podem ser visualizados com clareza no nível atômico e nas escalas de tempo de microssegundos em que as reações acontecem. Então Vukovic criou modelos da estrutura atômica do vírus, bem como as nanopartículas com ligantes de vários comprimentos anexados.

p Usando supercomputadores TACC, ela simulou como as proteínas virais e nanopartículas interagem entre si. Ela descobriu que o vírus se liga e faz vários contatos com ligantes mais longos.

p Não apenas isso. As nanopartículas se ligam na junção de duas proteínas e, como uma cunha, aumentar a distância entre as proteínas virais, quebrando os contatos e desintegrando o vírus. As descobertas iniciais da pesquisa foram publicadas em Materiais da Natureza em 2018, e novos resultados, obtido pelo estudante Parth Chaturvedi, foram postados em bioRxiv (Agosto de 2021).

p Projetos diferenciados de nanosensores

p O interesse de Vukovic em modelar nanopartículas para medicina a levou ao seu próximo projeto, ajudando a projetar nanossensores que são pequenos, velozes, e sensível o suficiente para detectar quantidades microscópicas de neurotransmissores no cérebro.

p A base da tecnologia são os nanotubos de carbono - cilindros 10, 000 vezes mais estreito do que o cabelo humano médio, que encontrou aplicações em vários campos, incluindo eletrônicos, ótica, e, mais recentemente, medicina.

p Nanotubos de carbono, ou CNTs, pesquisadores descobriram, tem uma propriedade incomum. Eles podem brilhar espontaneamente em certas circunstâncias com uma luz que pode ser detectada fora do corpo. Contudo, eles não podem operar no corpo sem modificação.

p Uma abordagem que se mostrou bem-sucedida envolve envolver o CNT em DNA. O laboratório Landry da Universidade da Califórnia, Berkeley estava experimentando com fitas de DNA de vários comprimentos e composições para ver se o CNT emitia uma forte emissão de luz quando exposto à dopamina, e estavam obtendo resultados mistos.

p "A abordagem de triagem funciona, mas não fornece uma boa compreensão de por que funciona ou como projetá-lo melhor no futuro. Podemos fazer algo mais sistemático? ", Perguntou Vukovic.

p Ela realizou uma série de experimentos computacionais em Stampede2, O supercomputador líder da TACC na época, explorando a estrutura 3D, paisagem de energia, e padrões de ligação de CNTs envolvidos com DNA.

p Ela e sua aluna Ali Alizadehmojarad descobriram que o DNA de certos comprimentos envolve o nanotubo como um anel, enquanto outros o envolvem como uma hélice ou irregularmente. Esses diferentes padrões de ligação levam a diferentes luminescências na presença de neurotransmissores. O CNT envolvido em anel de um tipo de DNA, ela e o laboratório Landry encontraram, foi muito mais eficaz na detecção e sinalização da presença de neurotransmissores. A pesquisa foi publicada em uma série de artigos em Nano Letras em 2018 e Interfaces de materiais avançados em 2020.

p Nano-pivô

p Os desafios, e conquistas do projeto do sensor, inspirou uma epifania em Vukovic.

p Ela explorou com sucesso os mistérios experimentais dos CNTs em nível atômico usando simulações de dinâmica molecular e forneceu percepções críticas. "Mas estou fazendo apenas uma molécula de cada vez, "Vukovic disse." Como um teórico, o que posso contribuir? Se eu testar 10 moléculas, Eu nem arranjo a superfície. "

p Sua compreensão a levou a incorporar métodos baseados em dados e IA em sua abordagem. "Mudamos completamente nossa pesquisa; aprendemos novos métodos. Nos últimos dois anos, estamos trabalhando nisso. "

p Este período de crescimento e aprendizado levou Vukovic e sua equipe, Payam Kelich e Huanhuan Zhao, ao seu projeto mais recente:trabalhar com o laboratório Landry na descoberta de novos sensores ópticos feitos de conjugados DNA-CNT para detectar a molécula de serotonina. Como uma molécula chave que impacta nosso humor e felicidade, há um grande interesse em detectar a presença e as quantidades de serotonina em diferentes tecidos corporais.

p Recentemente, O laboratório de Vukovic desenvolveu novas ferramentas computacionais baseadas em IA que treinam modelos para aprender com os dados experimentais de Landry e prever novos sensores de serotonina.

p A colaboração está dando frutos. Um primeiro artigo, acabei de postar em bioRxiv (Agosto de 2021), descreveram esforços para prever computacionalmente novos sensores de serotonina e validar experimentalmente as previsões. Até aqui, a abordagem levou à descoberta de cinco novos sensores de DNA-CNT da serotonina com uma resposta mais alta do que a observada em sensores anteriores. (Esta pesquisa é apoiada por uma nova bolsa da National Science Foundation.)

p Vukovic é capaz de enfrentar esses enormes e ambiciosos desafios computacionais em parte por causa de seu acesso a alguns dos instrumentos científicos mais avançados do planeta por meio do programa University of Texas Research Cyberinfrastructure (UTRC). Iniciado em 2010, a iniciativa fornece recursos de computação e dados poderosos sem nenhum custo para os cientistas texanos, engenheiros, alunos, e acadêmicos em todas as 13 instituições do Sistema UT.

p “Nenhum desses projetos teria sido possível sem o TACC, "Vukovic disse." Quando estávamos prontos para correr, recebemos o tempo de que precisávamos e fomos capazes de avançar rapidamente e fazer as coisas. "

p Como químico computacional, Vukovic diz que está tentando usar seu conhecimento para contribuir com aplicações práticas na medicina e além. "Estamos pensando profundamente em como contribuir e trabalhar em projetos onde a computação pode fazer uma diferença real."