Pour mieux comprendre comment le nouveau coronavirus se comporte et comment il peut être arrêté, les scientifiques ont réalisé une carte tridimensionnelle qui révèle l'emplacement de chaque atome dans une molécule d'enzyme essentielle à la reproduction du SRAS-CoV-2.

Des chercheurs du laboratoire national d'Oak Ridge du ministère de l'Énergie ont utilisé la diffusion de neutrons pour identifier des informations clés afin d'améliorer l'efficacité des inhibiteurs médicamenteux conçus pour bloquer le mécanisme de réplication du virus. La recherche est publiée dans le Journal de chimie biologique .

Le virus SARS-CoV-2, qui cause la maladie COVID-19, exprime de longues chaînes de protéines composées d'environ 1, 900 résidus d'acides aminés. Pour que le virus se reproduise, ces chaînes doivent être décomposées et coupées en brins plus petits par une enzyme appelée protéase principale. L'enzyme protéase active est formée de deux molécules protéiques identiques maintenues ensemble par des liaisons hydrogène. Le développement d'un médicament qui inhibe ou bloque l'activité de la protéase empêchera le virus de se répliquer et de se propager à d'autres cellules du corps.

"Ces nouvelles informations sont exactement ce qui est nécessaire pour concevoir des inhibiteurs avec un degré de spécificité plus élevé, s'assurer que les molécules inhibitrices se lient très étroitement à leurs cibles visées et désactiver la protéase, " a déclaré Andrey Kovalevsky de l'ORNL, auteur correspondant.

Les expériences neutroniques ont d'abord révélé que le site contenant les acides aminés où les chaînes protéiques sont coupées est dans un état réactif électriquement chargé et non dans un état de repos ou neutre, contrairement aux croyances antérieures. Seconde, ils ont cartographié l'emplacement de chaque atome d'hydrogène aux endroits où les inhibiteurs se lieraient à l'enzyme protéase, ainsi que les charges électriques des acides aminés associés. Les expériences ont également cartographié l'ensemble du réseau de liaisons hydrogène entre les molécules de protéines qui maintiennent l'enzyme ensemble et lui permettent d'initier le processus chimique de coupure des chaînes protéiques.

"La moitié des atomes dans les protéines sont de l'hydrogène. Ces atomes sont des acteurs clés de la fonction enzymatique et sont essentiels à la façon dont les médicaments se lient, " a déclaré Kovalevsky. " Si nous ne savons pas où sont ces hydrogènes et comment les charges électriques sont distribuées à l'intérieur de la protéine, nous ne pouvons pas concevoir d'inhibiteurs efficaces pour l'enzyme."

L'étude neutronique de l'équipe s'appuie sur des recherches antérieures publiées dans la revue Communication Nature , créant une structure atomique complète de l'enzyme protéase. Les chercheurs ont également rendu leurs données publiques à la communauté scientifique avant la publication des deux articles pour accélérer les solutions à la pandémie mondiale.

Les neutrons sont des sondes idéales pour étudier les structures biologiques car ils sont non destructifs et très sensibles aux éléments légers comme l'hydrogène. Les expériences de diffusion de neutrons ont été réalisées au réacteur à isotope à haut flux et à la source de neutrons de spallation de l'ORNL. Les échantillons de protéines ont été synthétisés dans des installations adjacentes au Center for Structural Molecular Biology.

"C'est peut-être la structure neutronique la plus rapide d'une protéine jamais produite. Nous avons commencé les expériences neutroniques en mai, et dans les cinq mois, nous avons obtenu et publié nos résultats. C'est quelque chose qui prend généralement des années, ", a déclaré l'auteur correspondant de l'ORNL, Leighton Coates. "Ce travail démontre ce que nous pouvons faire à Oak Ridge. Tout a été fait ici du début à la fin. Les protéines ont été exprimées, purifié, et cristallisé, et toutes les données ont été collectées et analysées sur place, une approche complètement intégrée verticalement. »

L'équipe utilisera désormais les informations nouvellement obtenues pour étudier les propriétés de liaison des molécules médicamenteuses candidates afin de produire des thérapies COVID-19 améliorées.

"Non seulement c'est la première fois que quelqu'un obtient une structure neutronique d'une protéine de coronavirus, mais c'est aussi la première fois que quelqu'un examine cette classe d'enzymes protéases à l'aide de neutrons, " a déclaré Daniel Kneller de l'ORNL, le premier auteur de l'étude. "C'est un exemple exceptionnel de cristallographie neutronique au service de la communauté quand elle en a le plus besoin."