COVID19穗蛋白的隐藏状态计算和实验研究团队寻找冠状病毒的未知漏洞二连浩特
2022-10-19 00:39:03 欧风娱乐网
COVID-19穗蛋白的隐藏状态：计算和实验研究团队寻找冠状病毒的未知漏洞
对我们的生命造成严重破坏的病毒是一种有效的感染机器。SARS-CoV-2仅由29种蛋白质组成，其基因组大小为我们的1/2万种，因此它经过专门进化，可以诱骗我们的细胞，以帮助其细胞促进其繁殖。
在过去的几个月中，科学家们对这个盲目敌人的机制有了很多了解但是，与我们所不知道的相比，我们所学到的仍然相形见pale。
科学家发现病毒的方法有很多种。加州大学伯克利分校物理与分子细胞生物学副教授艾哈迈德·耶尔德兹说，只有同时使用这些方法，我们才能发现和利用冠状病毒的弱点。
伊斯坦布尔技术大学的Yildiz和他的合作者Mert Gur正在将超级计算机驱动的分子动力学模拟与单分子实验相结合，以发现病毒的秘密。特别是，他们正在研究其刺突蛋白，该蛋白是与人类细胞结合并开始将病毒RNA插入细胞的过程的一部分。
古尔说：“许多团体正在攻击这一进程的不同阶段。” “我们的最初目标是使用分子动力学模拟来识别病毒与宿主细胞结合时发生的过程。”
伊尔迪兹说，共有三个关键阶段，使刺突蛋白进入细胞并开始复制。
首先，刺突蛋白需要从封闭构型转变为开放构型。其次，刺突蛋白与我们细胞外部的受体结合。这种结合触发了刺突蛋白内的构象变化，并使另一种人类蛋白裂解了刺突。最终，新暴露的刺突表面与宿主细胞膜相互作用，并使病毒RNA进入并劫持细胞。
2月初，电子显微镜图像显示了刺突蛋白的结构。但是快照仅显示了蛋白质所采取的主要配置，而不是中间的过渡步骤。伊尔迪兹说：“我们只看到稳定构象的快照。” “由于我们不知道使蛋白质从一种稳定构象变为另一种稳定构象的事件发生的时间，我们还不知道那些中间构象。”
那就是计算机建模的地方。显微镜图像为创建蛋白质中每个原子及其环境的模型提供了有用的起点。从那里，Yildiz和Gur使蛋白质运动，并观察发生了什么。
Gur说：“我们证明了S蛋白在可以与宿主细胞膜上的受体蛋白对接之前就处于中间状态。” “这种中间状态可用于靶向药物，以防止S蛋白引发病毒感染。”
尽管世界上许多其他组织都在探查该病毒的结合部位，希望找到一种可以阻止该病毒闭锁在人体细胞上的药物，但Yildiz和Gur采取了更为细微的方法。
Yildiz解释说：“刺突蛋白通过复杂的相互作用网络牢固地与其受体结合。” “我们表明，如果您只是打破这些相互作用之一，您仍然将无法停止这种结合。这就是为什么一些基础药物开发研究可能无法产生理想结果的原因。”
但是，如果有可能防止刺突蛋白从关闭状态变为打开状态-或我们甚至不知道的第三个中间状态变为打开状态-则可能有助于治疗。
查找并打破重要纽带
Yildiz和Gur在计算机模拟中的第二次使用不仅确定了新状态，而且还确定了稳定每个状态的特定氨基酸。
耶尔迪兹说：“如果我们能够确定单个氨基酸水平上的重要联系，这种相互作用是稳定的，并且对于这些确认至关重要的话，就有可能用小分子靶向那些状态。”
在原子或单个氨基酸水平上模拟此行为的计算量非常大。Yildiz和Gur通过COVID-19 HPC联盟获得了德克萨斯高级计算中心在Stampede2超级计算机上的时间-美国大学中排名第二的超级计算机，总体上排名第19位。在超级计算机上，模拟一微秒的病毒及其与人类细胞的相互作用需要花费数周的时间，而如果没有一个，则将花费数年。
伊尔迪兹说：“这是一个计算量很大的过程。” “但是这种方法的预测能力非常强大。”
Yildiz和Gur小组以及大约40个其他研究COVID-19的研究小组已被授予TACC系统的优先使用权。“我们不受仿真发生速度的限制，因此我们运行仿真和分析数据的能力之间存在着实时竞争。”
随着时间的流逝，古尔和他的合作者不断进行计算，在峰值蛋白接近，结合并与血管紧张素转换酶2受体相互作用的过程中重新激活它们的原子渗透。许多细胞类型的表面。
他们的最初发现提出了通过全原子分子动力学模拟与RBD-ACE2结合相容的S蛋白的中间半开放状态，已发表在《化学物理学报》上。
此外，通过执行全原子MD模拟，他们确定了盐桥，疏水和静电相互作用以及刺突蛋白的受体结合域和ACE2之间的氢键的扩展网络。这些发现的结果已在BioRxiv中发布。
突变受体结合结构域上的残基不足以使结合不稳定，但减少了将刺突蛋白与ACE2解除结合的平均功。他们提出，通过中和抗体或纳米抗体阻断该位点可证明是抑制突增蛋白-ACE2相互作用的有效策略。
为了确认计算机得出的见解是正确的，Yildiz的团队使用单分子荧光共振能量转移进行了实验室实验-一种生物物理技术，用于测量单分子中1到10纳米尺度的距离
伊尔迪兹说：“这项技术使我们能够通过测量两个发光探针之间的能量转移来观察蛋白质的构象变化。”
尽管科学家仍然没有实时观察运动中分子的原子细节的技术，但电子显微镜，单分子成像和计算机模拟的结合可以为研究人员提供有关病毒行为的丰富图片，Yildiz说。
“我们可以使用电子显微镜获得冷冻分子的原子分辨率快照。我们可以在短时间内使用分子动力学来获得运动中蛋白质的原子级模拟。并且使用单分子技术可以得出电子中缺少的动力学。显微镜和模拟，” Yildiz总结道。“将这些方法结合在一起，我们可以了解整个情况，并剖析病毒进入宿主细胞的机制。”