Вибрации коронавирусных белков могут играть роль в инфекции
Когда кто-то пытается открыть замок с помощью ключа, который, кажется, не совсем работает, иногда небольшое покачивание ключа помогает.
Новые исследования, проведенные MIT, показывают, что коронавирусы, включая тот, который вызывает Covid-19, могут использовать аналогичный метод, чтобы обманом заставить клетки пропустить вирусы внутрь.
Полученные результаты могут быть полезны для определения того насколько опасными могут быть различные штаммы или мутации коронавирусов и могут указать на новый подход к разработке методов лечения.
Исследования того, как белки спайков, которые придают коронавирусам их особый, похожий на корону вид, взаимодействуют с клетками человека, как правило, связаны с биохимическими механизмами, но для этого исследования исследователи использовали другой подход. Используя атомистическое моделирование, они рассмотрели механические аспекты того, как спайковые белки движутся, изменяют форму и вибрируют. Результаты показали, что эти колебательные движения могут объяснить стратегию, используемую коронавирусами, которые могут обмануть блокирующий механизм на поверхности клетки, пропустив вирус через клеточную стенку, чтобы он мог захватить репродуктивные механизмы клетки.
Исследователи обнаружили сильную прямую зависимость между скоростью и интенсивностью вибраций шипов и тем, с какой легкостью вирус может проникнуть в клетку. Поскольку этот метод основан на понимании детальной молекулярной структуры этих белков, исследователи утверждают, что его можно использовать для скрининга появляющихся коронавирусов или новых мутаций Covid-19, чтобы быстро оценить их потенциальный риск.
Результаты исследования, проведенного профессором Массачусетского технологического института Маркусом Бюлером и публикуются в журнале Matter 30 октября.
Все изображения вируса SARS-CoV-2, которые мы видим, по словам Бюлера, немного вводят в заблуждение. "Вирус так не выглядит", - говорит он, потому что в действительности вся материя в нанометрическом масштабе атомов, молекул и вирусов "непрерывно движется и вибрирует".
Крошечные наноразмерные колебания и изменения формы белковых молекул крайне сложно наблюдать экспериментально, поэтому атомистическое моделирование полезно для понимания происходящего. Исследователи применили эту методику для того, чтобы взглянуть на решающий этап в инфекции, когда вирусная частица с ее белковыми шипами прикрепляется к рецептору ACE2. Как только эти шипы связываются с рецептором, он открывает канал, позволяющий вирусу проникнуть в клетку.
Этот механизм связывания между белками и рецепторами работает как замок и ключ и именно поэтому, по словам Бюлера, вибрации имеют значение. "Если механизм статический, то либо подходит, либо не подходит", - говорит он. Но протеиновые шипы не статичны; "они вибрируют и постоянно слегка меняют свою форму и это важно". Ключи статичны, они не меняют форму, но что если у вас есть ключ, который постоянно меняет свою форму? Они подойдут по-разному в зависимости от того, как они выглядят в тот момент, когда мы вставляем ключ в замок".
Чем больше "ключ" может измениться, по мнению исследователей, тем больше вероятность, что он подойдет.
Бюлер моделировал колебательные характеристики этих белковых молекул и их взаимодействия, используя аналитические инструменты, такие как "анализ в нормальном режиме". Этот метод используется для изучения способа развития и распространения колебаний, моделируя атомы как точечные массы, соединенные между собой пружинами, которые представляют различные силы, действующие между ними.
Они обнаружили, что различия в колебательных характеристиках сильно коррелируют с различными показателями инфекционности и летальности различных видов коронавирусов, взятых из глобальной базы данных подтвержденных случаев и показателей летальности. Изученные вирусы включали SARS-CoV, MERS-CoV, SATS-CoV-2, а также одну известную мутацию вируса SARS-CoV-2, которая становится все более распространенной во всем мире. Это делает данный метод перспективным инструментом для прогнозирования потенциальных рисков от новых коронавирусов, которые появляются и, скорее всего, будут появляться, говорит Бюлер.
Во всех изученных случая важнейшей частью процесса являются колебания одной из ветвей белковой молекулы вверх, что помогает сделать ее доступной для связывания с рецептором. "Это движение имеет важное функциональное значение", - говорит Бюлер. Другой ключевой показатель связан с соотношением между двумя различными колебательными движениями в молекуле. "Мы находим, что эти два фактора показывают прямую связь с эпидемиологическими данными, инфекционностью вируса, а также летальностью вируса", - добавил он.
Найденные ими корреляции означают, что при появлении новых вирусов или новых мутаций существующих, "вы можете отсеивать их с чисто механической стороны. Вы можете просто посмотреть на флуктуации этих спайковых белков и узнать как они могут действовать с эпидемиологической стороны, например, какова контагиозность и насколько серьезны будут последствия болезни".
Потенциально эти результаты могут также обеспечить новый путь для исследований о возможном лечении Covid-19 и других коронавирусных заболеваний, говорит Бюлер, предполагая, что можно будет найти молекулу, которая будет связываться с белками шипа таким образом, что это жестко ограничит их вибрации. Другой подход - это вызвать противоположные вибрации, по аналогии с тем, как наушники с функцией шумоподавления подавляют нежелательные звуки.
По мере того, как биологи узнают больше о различных видах мутаций, происходящих в коронавирусах и определят, какие участки геномов наиболее подвержены изменениям, эта методология также может быть использована с прогностической точки зрения, говорит Бюлер. Можно было бы смоделировать все наиболее вероятные виды возникающих мутаций, а те, которые обладают наиболее опасным потенциалом, можно было бы отметить, чтобы мир был предупрежден о появлении этих особых штаммов. Бюлер добавляет: "Мутация G614, например, которая в настоящее время доминирует при Covid-19, по нашим данным, является чуть более контагиозной и чуть менее смертоносной".
