Les rayons X permettent aux chercheurs de cartographier la structure 3-D des protéines pertinentes pour les maladies à l'échelle des molécules et des atomes, et l'installation de rayons X Advanced Light Source (ALS) du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) a été rappelée à l'action pour soutenir la recherche liée au COVID-19, la maladie à coronavirus qui a déjà infecté environ 2 millions de personnes dans le monde.

Une petite équipe de personnel à l'ALS, qui produit des faisceaux de rayons X et d'autres types de lumière pour soutenir une grande variété d'expériences pour les chercheurs du monde entier, le 31 mars a lancé plusieurs expériences pour d'autres scientifiques qui ont contrôlé le travail à distance.

En ce moment, seules les expériences approuvées liées au COVID-19 sont autorisées à l'ALS - la plupart du personnel et des expériences de l'ALS et du Berkeley Lab ont été mis à l'écart en raison des commandes d'abris sur place qui visent à limiter la propagation du virus.

Un petit groupe d'employés de l'ALS qui gère l'accélérateur et assure la sécurité des opérations a soutenu le travail sur site depuis la reprise des expériences.

Les expériences ALS spécialement approuvées - qui ont été autorisées par la direction du Berkeley Lab - ont jusqu'à présent été menées par des scientifiques individuels travaillant sur des sites expérimentaux séparés, connu sous le nom de lignes de lumière, dans l'établissement ALS afin de maintenir la distanciation sociale. En outre, les travailleurs sur place prennent des précautions supplémentaires pour la sécurité, telles que la désinfection régulière de l'équipement.

Aucun des travaux n'implique d'échantillons vivants du virus SARS-CoV-2 qui cause COVID-19. Les échantillons contiennent des protéines virales cristallisées qui ne peuvent pas provoquer d'infection. Des échantillons supplémentaires à analyser comprennent des protéines de cellule hôte nécessaires à l'infection par le virus.

"Tous ceux à qui j'ai parlé adoptent une approche "tout", " a déclaré Jay Nix, un participant aux nouvelles expériences qui est directeur de la ligne de lumière du Consortium de biologie moléculaire, qui prend en charge et exploite une ligne de lumière à l'ALS (ligne de lumière 4.2.2) et est un laboratoire affilié et partenaire.

"Chaque idée est sur la table, " Nix dit, y compris des explorations de la forme et de la fonction des protéines hérissées du virus COVID-19 dans les images colorisées désormais omniprésentes affichées dans les sites Web et les articles de presse liés à COVID-19.

Les études structurelles peuvent conduire à des médicaments qui ciblent et attaquent le virus tout en laissant intacts les autres systèmes vitaux, par exemple, ou qui peut autrement améliorer les défenses de l'organisme contre le virus.

"Il y a des protéines qui composent la structure du virus et un grand nombre d'autres, des protéines non structurelles qui aident dans le cycle d'infection du virus, " a déclaré Marc Allaire, un scientifique de ligne de lumière à l'ALS qui prend en charge plusieurs lignes de lumière exploitées par le Berkeley Center for Structural Biology. Le centre reçoit le soutien des membres participants pour ce travail, y compris d'un grand groupe de sociétés pharmaceutiques aux États-Unis et à l'étranger.

Le centre fait partie de la division Biophysique moléculaire et bioimagerie intégrée (MBIB) du laboratoire, qui est connecté à toutes les lignes de lumière et au personnel participant au premier lot d'expériences approuvées liées au COVID-19.

Les premières expériences depuis le redémarrage de l'ALS ont utilisé trois lignes de lumière ALS (lignes de lumière 4.2.2, 5.0.1, et 5.0.2) qui sont tous spécialisés en cristallographie macromoléculaire, une technique d'apprentissage de la structure 3-D des protéines, virus, et d'autres échantillons en émettant des rayons X sur leurs formes cristallisées.

La lumière des rayons X frappant les cristaux produit des motifs que les ordinateurs traitent ensuite en reconstructions 3D des échantillons.

« Je suis ravi que l'ALS soit en mesure de contribuer à cet important travail et de mettre ses outils à la disposition de la communauté de recherche en biosciences, ", a déclaré Steve Kevan, directeur de l'ALS. "Je tiens personnellement à remercier nos scientifiques et notre personnel d'exploitation de la ligne de lumière d'avoir travaillé ensemble pour que cela se produise dans des circonstances très difficiles."

Le directeur du MBIB, Paul Adams, a déclaré :« Cela témoigne de l'importance de l'ALS pour ce type de recherche biomédicale que tant de groupes ont demandé l'accès pour les aider dans leurs efforts pour lutter contre le COVID-19. Les lignes de lumière utilisées pour le travail de cristallographie ont développé une capacité de" réponse rapide " il y a plusieurs années, avec accès à distance et collecte et analyse automatisées des données, et étaient donc prêts à frapper le sol en courant lorsque cette crise s'est produite. »

Les travaux qui ont été approuvés à l'ALS comprennent des expériences exclusives de plusieurs sociétés pharmaceutiques :Novartis, basée en Suisse, qui a un bureau à Emeryville, Californie; Vir Biotechnology basé à San Francisco; et IniXium basé au Canada, une organisation de recherche sous contrat pour la découverte de médicaments au service de l'industrie biotechnologique américaine.

Le premier lot comprend également des expériences de cristallographie réalisées par un groupe de chercheurs du laboratoire de David Veesler, professeur agrégé à l'Université de Washington. Cette équipe se concentre sur les protéines hérissées à la surface du virus COVID-19, que le virus utilise pour se lier aux cellules hôtes et y pénétrer, et comment les neutraliser.

Une autre équipe, dirigé par Daved Fremont, professeur à l'Université de Washington à Saint Louis, enverra des échantillons cristallisés à l'ALS, tout comme une équipe dirigée par James Hurley, la chaire Judy C. Webb et professeur de biochimie, biophysique, et biologie structurale à l'UC Berkeley.

Hurley a déclaré que trois biologistes structurels de son laboratoire travaillaient sur la recherche COVID-19 :Tom Flower, Cosmo Buffalo, et Snow Ren. Les chercheurs « ont une énorme expérience de la cristallographie aux rayons X et de la cryomicroscopie électronique, " une autre technique pour explorer des échantillons biologiques, il a dit.

« Ils ont commencé à travailler sur plusieurs projets pour caractériser les structures impliquées dans la réplication du virus, en mettant l'accent sur la compréhension de l'interaction des protéines virales avec les protéines et les membranes de l'hôte, et sur l'application rapide de ces informations à la découverte de médicaments antiviraux en collaboration avec d'autres sur le campus, " il ajouta.

Pendant la pandémie du sida des années 80, Hurley est passé de la physique à la biologie structurale. « J'ai vu comment la biologie structurelle a contribué de manière cruciale à la création des antiviraux du VIH qui ont fait du sida une maladie traitable au lieu d'une condamnation à mort. Cette expérience me donne une perspective sur la façon dont la biologie structurelle peut aider à créer de nouveaux antiviraux, " il a dit.

Une équipe dirigée par Natalie Strynadka, professeur de biochimie à l'Université de la Colombie-Britannique au Canada, devrait également expédier des échantillons de cristal pour les expériences ALS. Strynadka a déclaré que son laboratoire collaborait avec une équipe à Vancouver, Canada, identifier de petits inhibiteurs moléculaires qui ralentissent la principale protéase virale (MPro) de COVID-19, une enzyme qui décompose les protéines en formes plus petites.

Dans les travaux connexes, son laboratoire travaille avec Venatorx Pharmaceuticals, basée en Pennsylvanie, et une équipe dirigée par David Baker à l'Université de Washington pour identifier les inhibiteurs de MPro. « Comprendre où et comment ces inhibiteurs se lient à MPro à l'aide de la cristallographie aux rayons X sera essentiel pour orienter le développement futur, " elle a dit.

Ralf Bartenschlager, virologue et professeur à l'université de Heidelberg en Allemagne, enverra des échantillons de cellules infectées par COVID-19, rendu inactif, pour une étude utilisant une technique connue sous le nom de tomographie à rayons X mous. Dans cet effort de collaboration, l'objectif est de comprendre comment l'infection par le virus SARS-CoV-2 altère la structure et l'organisation des cellules infectées, avec l'objectif à long terme d'identifier des cibles virales et cellulaires perturbées par l'infection qui conviennent à une thérapie antivirale. L'expérience sera supervisée par Carolyn Larabell du Lab, également professeur à l'UC San Francisco et directeur du National Center for X-ray Tomography, qui développe des technologies d'imagerie pour la recherche biologique et biomédicale.

L'ALS demande également à la communauté des chercheurs de soumettre d'autres propositions d'expériences liées au COVID-19, dit Nix.

Les dirigeants d'ALS et de Berkeley Lab envisagent d'ouvrir des capacités de rayons X supplémentaires, telles que la diffusion des rayons X aux petits angles (SAXS) et la diffusion des rayons X aux grands angles, qui permet la caractérisation à grande vitesse d'échantillons biologiques qui peuvent être sous une forme plus naturelle que certaines autres techniques ne le permettent.

Greg Hura, un chercheur scientifique du MBIB et professeur associé à l'UC Santa Cruz qui exploite la ligne de faisceau 12.3.1 SIBYLS (Structurally Integrated Biologie pour les sciences de la vie) à l'ALS qui mène des expériences SAXS, mentionné, « SIBYLS peut également jouer un rôle dans un consortium de laboratoires multitechniques et multinationaux pour visualiser les faiblesses potentielles du virus COVID-19, et aider à développer de nouveaux diagnostics."

Il ajouta, « Les génomes viraux (séquences d'ADN) sont petits, mais les grosses molécules qu'ils codent sont des transformateurs qui peuvent adopter de nombreuses fonctions dans différents contextes. SAXS offre un moyen d'étudier ces systèmes dans les nombreux contextes auxquels ils pourraient être ciblés, et peut identifier les états qui se prêtent le mieux à leur affichage à une résolution plus élevée."

Nix a noté que la ligne de faisceau 4.2.2, qu'il exploite, et certaines autres lignes de lumière de l'ALS utilisent des systèmes robotiques de livraison d'échantillons de sorte qu'une fois remplis d'échantillons, les expériences peuvent en grande partie fonctionner par télécommande.

"Je n'ai pas eu d'utilisateur sur site depuis plus de 5 ans, " il a dit.

Il a fallu un travail d'équipe, des responsables et du personnel d'ALS à la direction du Berkeley Lab, pour faire avancer la recherche liée au COVID-19, Nix a noté. « Ils travaillaient, avant même que les lumières ne s'éteignent, ' au labo, pour voir ce que nous pourrions faire."

Il a également noté qu'une variété de sources de financement de la recherche rend ce travail possible. "C'est public, privé, et le soutien du gouvernement tous réunis, ce qui est vraiment agréable à voir, " il a dit.