La tecnología de realidad virtual (VR) permite a los científicos crear modelos 3D de un objeto y luego ir virtualmente «adentro» para mirar alrededor y comprender mejor su estructura y función.
Esto es lo que hicieron los investigadores del Laboratorio Nacional Oak Ridge (ORNL) del Departamento de Energía (DOE) para estudiar el virus SARS-CoV-2 que causó la pandemia de COVID-19. El equipo utilizó neutrones y rayos X para mapear parte de la estructura interna del coronavirus y crear un modelo 3D preciso. Específicamente, los científicos mapearon la proteasa principal (Mpro), una enzima involucrada en la replicación del virus, a la que habían agregado una pequeña molécula preliminar descubierta mediante un cribado informático de alta velocidad.
Usando la realidad virtual para observar el modelo de la enzima, los científicos construyeron virtualmente diferentes moléculas pequeñas modificando sus estructuras para ver si algún compuesto de nuevo diseño podía encajar o unirse a un sitio clave en la superficie de la enzima Mpro. Una unión lo suficientemente fuerte podría inhibir o bloquear el funcionamiento de la enzima, lo cual es vital para evitar que el virus se multiplique en pacientes con COVID-19.
Para determinar los efectos de modificaciones químicas específicas sobre la firmeza con que los 19 candidatos a inhibidores se unen a la enzima Mpro, el equipo sintetizó cada molécula inhibidora y midió su fuerza de unión. Cuanto más fuerte sea la unión, más eficazmente el inhibidor bloquearía el funcionamiento de la enzima y la replicación del virus.
Uno de los inhibidores de prueba, etiquetado como HL-3-68, demostró una capacidad superior para unirse e inhibir la función de Mpro en comparación con otros que se probaron. Los detalles del estudio, titulado «Determinantes estructurales, electrónicos y electrostáticos para la unión del inhibidor a los subsitios S1 y S2 en la proteasa principal del SARS-CoV-2 «, se publican en el Journal of Medicinal Chemistry .
«Nuestro estudio fue diseñado para comprender mejor cómo las moléculas se unen al sitio activo de la enzima Mpro, que desempeña un papel clave en la replicación del SARS-CoV-2», dijo el autor principal Daniel Kneller. «En el proceso de prueba de las moléculas que diseñamos, descubrimos una que contenía un solo átomo de cloro adicional que mostraba una mayor capacidad para inhibir Mpro. Esta nueva estructura química es diferente de lo que ha sido estudiado previamente por la comunidad global y podría abrir nuevas vías. de investigación con interesantes posibilidades para combatir el SARS-CoV-2 «.
El sitio activo de la enzima Mpro es común a otros tipos de coronavirus y no parece mutar fácilmente, lo que presenta una oportunidad para diseñar posiblemente un tratamiento antiviral que funcione contra múltiples variantes del SARS-CoV-2 y otros coronavirus.
Igualmente importante es que el sitio activo es diferente de los conocidos en las enzimas humanas, lo que minimizaría la posibilidad de una unión no intencionada que podría provocar efectos secundarios en los pacientes.
Las mediciones de rayos X y la producción de las muestras de la enzima Mpro fueron realizadas por el Centro de Biología Estructural y Molecular utilizando las instalaciones de la Fuente de Neutrones de Espalación (SNS) de ORNL y los recursos del Reactor de Isótopos de Alto Flujo (HFIR). Los candidatos a inhibidores fueron sintetizados por los coautores Hui Li y Peter Bonnesen del grupo Macromolecular Nanomaterials en el Center for Nanophase Materials Sciences (CNMS).
«Este estudio combinó una gran cantidad de métodos biofísicos, bioquímicos y de biología molecular, e incluyó análisis estructural asistido por realidad virtual y construcción de moléculas pequeñas, reuniendo a científicos de ORNL, el Laboratorio Nacional Argonne, los Institutos Nacionales de Salud y la Universidad de Tennessee. -Knoxville. La naturaleza colaborativa del estudio nos permitió descubrir las reglas que los inhibidores de moléculas pequeñas deben obedecer cuando se unen a la enzima para ser útiles en los pasos posteriores del largo proceso de diseño y desarrollo de fármacos «, dijo el autor correspondiente, Andrey Kovalevsky.
Peter Bonnesen, coautor para correspondencia, agregó: «Este fue un proyecto nuevo y emocionante en el que trabajar para el CNMS, y se basó en nuestra experiencia en la síntesis de moléculas orgánicas personalizadas para nuestros usuarios. Para este proyecto, proporcionamos a nuestros colegas de SNS un par de moléculas candidatas a la vez. A medida que llegaban los resultados sobre la eficacia de las moléculas como inhibidores, el equipo discutía qué ajustes hacer en la estructura molecular. Luego, Hui y yo volveríamos al laboratorio para fabricar estos nuevos inhibidores candidatos «.
El estudio también arrojó luz sobre la capacidad de la enzima Mpro para cambiar su forma y cambiar su carga eléctrica de positiva a negativa, o de negativa a positiva, de acuerdo con el tamaño y la estructura de la molécula inhibidora a la que se une. Es importante comprender estas características al desarrollar una molécula inhibidora eficaz.
Para la investigación de la dispersión de neutrones, los científicos utilizaron el difractómetro de neutrones macromolecular (MaNDi) en el SNS por su capacidad para recopilar datos de las muestras comparativamente pequeñas con las que el equipo tuvo que trabajar.
«Debido a la naturaleza urgente de la investigación relacionada con el virus SARS-CoV-2, solo pudimos cultivar muestras relativamente pequeñas de la enzima Mpro», dijo el coautor Leighton Coates. «Como las muestras más pequeñas dispersan los neutrones débilmente y esto da como resultado datos de neutrones» ruidosos «, el análisis de datos puede ser difícil. La estructura temporal del haz de neutrones en el instrumento MaNDi nos permitió eliminar la mayor parte del ruido, aumentando así la señal a relación de ruido, lo que nos proporciona datos mucho más útiles con los que trabajar «.
Los siguientes pasos para los investigadores de ORNL incluyen probar modificaciones químicas del inhibidor HL-3-68 para determinar si algún compuesto de nuevo diseño puede unirse incluso mejor que HL-3-68 para inhibir de manera más efectiva la enzima Mpro y, en última instancia, evitar que el coronavirus se replique.
Mientras tanto, los investigadores pusieron sus datos a disposición del público a través del Protein Data Bank para acelerar la información y la asistencia a las comunidades científicas y médicas del mundo. Por supuesto, se necesitan más investigaciones y pruebas para validar la efectividad y seguridad de cualquier inhibidor como tratamiento de COVID-19. Sin embargo, este estudio podría ofrecer una oportunidad para que otros científicos realicen investigaciones adicionales que beneficiarían a miles de millones de personas en todo el mundo.
Los otros coautores del artículo incluyen a Stephanie Galanie, Gwyndalyn Phillips, Audrey Labbé, Kevin L.Weiss, Qiu Zhang, Mark A. Arnould, Austin Clyde, Heng Ma, Arvind Ramanathan, Colleen B. Jonsson, Martha S. Head y John M. Louis. Hugh O’Neill de ORNL ayudó durante la preparación de la muestra.
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