Le virus qui fait des ravages dans nos vies est une machine d'infection efficace. Composé de seulement 29 protéines (contre nos 400, 000), avec un génome 1/200, 000 la taille de la nôtre, Le SARS-CoV-2 est savamment évolué pour tromper nos cellules afin qu'elles contribuent à sa machinerie pour aider à sa propagation.

Au cours des derniers mois, les scientifiques ont beaucoup appris sur la mécanique de cet ennemi stupide. Mais ce que nous avons appris est encore pâle par rapport à ce que nous ne savons pas.

Les scientifiques découvrent le fonctionnement d'un virus de plusieurs manières. Ce n'est qu'en utilisant ces méthodes en tandem que nous pouvons trouver et exploiter les points faibles du coronavirus, dit Ahmet Yildiz, professeur agrégé de physique et de biologie cellulaire moléculaire à l'Université de Californie, Berkeley.

Yildiz et son collaborateur Mert Gur de l'Université technique d'Istanbul combinent des simulations de dynamique moléculaire alimentées par un superordinateur avec des expériences sur une seule molécule pour découvrir les secrets du virus. En particulier, ils étudient sa protéine de pointe (S), la partie du virus qui se lie aux cellules humaines et commence le processus d'insertion de l'ARN viral dans la cellule.

"De nombreux groupes s'attaquent à différentes étapes de ce processus, ", a déclaré Gur. "Notre objectif initial est d'utiliser des simulations de dynamique moléculaire pour identifier les processus qui se produisent lorsque le virus se lie à la cellule hôte."

Il y a trois phases critiques qui permettent à la protéine de pointe de pénétrer dans la cellule et de commencer à se répliquer, dit Yildiz.

D'abord, la protéine de pointe doit passer d'une configuration fermée à une configuration ouverte. Seconde, la protéine de pointe se lie à son récepteur à l'extérieur de nos cellules. Cette liaison déclenche un changement de conformation au sein de la protéine de pointe et permet à une autre protéine humaine de cliver la pointe. Finalement, la surface nouvellement exposée de la pointe interagit avec la membrane de la cellule hôte et permet à l'ARN viral d'entrer et de détourner la cellule.

Début février, des images au microscope électronique ont révélé la structure de la protéine de pointe. Mais les instantanés n'ont montré que les principales configurations que prend la protéine, pas la transition, entre les étapes. "Nous ne voyons que des instantanés de conformations stables, " a déclaré Yildiz. " Parce que nous ne connaissons pas le moment des événements qui permettent à la protéine de passer d'une conformation stable à la suivante, nous ne connaissons pas encore ces conformations intermédiaires."

C'est là qu'intervient la modélisation informatique. Les images du microscope fournissent un point de départ utile pour créer des modèles de chaque atome de la protéine, et son environnement (eau, ions, et les récepteurs de la cellule). De là, Yildiz et Gur ont mis la protéine en mouvement et ont observé ce qui se passait.

"Nous avons montré que la protéine S visite un état intermédiaire avant de pouvoir s'arrimer à la protéine réceptrice sur la membrane de la cellule hôte", a déclaré Gur. "Cet état intermédiaire peut être utile pour le ciblage d'un médicament afin d'empêcher la protéine S d'initier une infection virale."

Alors que de nombreux autres groupes dans le monde sondent la poche de liaison du virus, dans l'espoir de trouver un médicament capable d'empêcher le virus de s'accrocher aux cellules humaines, Yildiz et Gur adoptent une approche plus nuancée.

"La protéine de pointe se lie fortement à son récepteur avec un réseau d'interaction complexe, " expliqua Yildiz. " Nous avons montré que si vous rompez une de ces interactions, vous ne pourrez toujours pas arrêter la liaison. C'est pourquoi certaines des études de base sur le développement de médicaments peuvent ne pas produire les résultats souhaités. »

Mais s'il est possible d'empêcher la protéine de pointe de passer d'un état fermé à un état ouvert - ou un troisième, l'état intermédiaire dont nous ne sommes même pas conscients à l'état ouvert - qui pourrait se prêter à un traitement.

Trouve, et casser, les liens importants

La deuxième utilisation des simulations informatiques par Yildiz et Gur a identifié non seulement de nouveaux états, mais les acides aminés spécifiques qui stabilisent chaque état.

"Si nous pouvons déterminer les liaisons importantes au niveau d'un seul acide aminé - quelles interactions se stabilisent et sont essentielles pour ces confirmations - il sera peut-être possible de cibler ces états avec de petites molécules, " dit Yildiz.

Simuler ce comportement au niveau de l'atome ou de l'acide aminé individuel est incroyablement intensif en calcul. Yildiz et Gur ont obtenu du temps sur le supercalculateur Stampede2 du Texas Advanced Computing Center (TACC) - le deuxième supercalculateur le plus rapide d'une université américaine et le 19e au total - via le COVID-19 HPC Consortium. Simuler une microseconde du virus et de ses interactions avec les cellules humaines - environ un million d'atomes au total - prend des semaines sur un superordinateur... et prendrait des années sans.

"C'est un processus exigeant en calcul, " a déclaré Yildiz. "Mais le pouvoir prédictif de cette approche est très puissant."

L'équipe Yildiz et Gur, avec environ 40 autres groupes de recherche étudiant COVID-19, ont obtenu un accès prioritaire aux systèmes TACC. "Nous ne sommes pas limités par la vitesse à laquelle les simulations se produisent, Il y a donc une course en temps réel entre notre capacité à exécuter des simulations et à analyser les données. »

Avec le temps de l'essence, Gur et ses collaborateurs ont fait des calculs, reconstituer les pérégrinations atomiques de la protéine de pointe à mesure qu'elle s'approche, lier à, et interagit avec les récepteurs de l'enzyme de conversion de l'angiotensine 2 (ACE2), des protéines qui tapissent la surface de nombreux types de cellules.

Leurs premières conclusions, qui a proposé l'existence d'un état semi-ouvert intermédiaire de la protéine S compatible avec la liaison RBD-ACE2 via des simulations de dynamique moléculaire (MD) tout-atome, a été publié dans le Journal de physique chimique .

Par ailleurs, en effectuant des simulations MD tout atomes, ils ont identifié un réseau étendu de ponts salins, interactions hydrophobes et électrostatiques, et la liaison hydrogène entre le domaine de liaison au récepteur de la protéine de pointe et ACE2. Les résultats de ces découvertes ont été publiés dans BioRxiv.

La mutation des résidus sur le domaine de liaison au récepteur n'était pas suffisante pour déstabiliser la liaison mais a réduit le travail moyen pour délier la protéine de pointe de l'ACE2. Ils proposent que le blocage de ce site via un anticorps neutralisant ou un nanocorps pourrait s'avérer une stratégie efficace pour inhiber les interactions protéine de pointe-ACE2.

Afin de confirmer que les informations obtenues par ordinateur sont exactes, L'équipe de Yildiz a réalisé des expériences en laboratoire en utilisant le transfert d'énergie par résonance de fluorescence à molécule unique (ou smFRET) - une technique biophysique utilisée pour mesurer des distances à l'échelle de un à 10 nanomètres dans des molécules uniques

"La technique nous permet de voir les changements de conformation de la protéine en mesurant le transfert d'énergie entre deux sondes électroluminescentes, " dit Yildiz.

Bien que les scientifiques n'aient toujours pas de technique pour voir les détails atomiques des molécules en mouvement en temps réel, la combinaison de la microscopie électronique, imagerie de molécule unique, et les simulations informatiques peuvent fournir aux chercheurs une image riche du comportement du virus, dit Yildiz.

"Nous pouvons obtenir des instantanés de résolution atomique de molécules congelées en utilisant la microscopie électronique. Nous pouvons obtenir des simulations au niveau atomique de la protéine en mouvement en utilisant la dynamique moléculaire sur une courte échelle de temps. Et en utilisant des techniques à molécule unique, nous pouvons dériver la dynamique qui manque à l'électron la microscopie et les simulations, " Yildiz a conclu. " La combinaison de ces méthodes nous donne une image complète et disséque le mécanisme d'un virus entrant dans la cellule hôte. "