Röntgenstrålar gör det möjligt för forskare att kartlägga 3D-strukturen hos proteiner som är relevanta för sjukdomar i skalan av molekyler och atomer, och Lawrence Berkeley National Laboratorys (Berkeley Labs) röntgenanläggning för avancerad ljuskälla (ALS) har återkallats till åtgärder för att stödja forskning relaterad till covid-19, coronaviruset som redan har infekterat cirka 2 miljoner människor runt om i världen.

Ett litet team av personal på ALS, som producerar strålar av röntgenstrålar och andra typer av ljus för att stödja en mängd olika experiment för forskare från hela världen, den 31 mars lanserade flera experiment för andra forskare som kontrollerade arbetet på distans.

Just nu, endast godkända covid-19-relaterade experiment är tillåtna vid ALS – de flesta personal och experiment vid ALS och Berkeley Lab har ställts på sidan på grund av beställningar på plats som är avsedda att begränsa spridningen av viruset.

En liten grupp ALS-personal som kör acceleratorn och säkerställer säker drift har stöttat arbete på plats sedan experimenten återupptogs.

De speciellt godkända ALS-experimenten – som godkändes av Berkeley Labs ledning – har hittills utförts av enskilda forskare som arbetar på separata experimentella platser, känd som strållinjer, i ALS-anläggningen för att upprätthålla social distans. Dessutom, Arbetstagare på plats vidtar extra försiktighetsåtgärder för säkerheten, såsom att regelbundet desinficera utrustning.

Inget av arbetet involverar några levande prover av SARS-CoV-2-viruset som orsakar COVID-19. Proverna inkluderar kristalliserade virusproteiner som inte kan orsaka infektion. Ytterligare prover som ska analyseras inkluderar värdcellsproteiner som krävs för infektion av viruset.

"Alla jag har pratat med tar en "allt"-strategi, sa Jay Nix, en deltagare i de nya experimenten som är strållinjedirektör för Molecular Biology Consortium, som stödjer och driver en beamline vid ALS (Beamline 4.2.2) och är en labbaffiliate och partner.

"Varje idé ligger på bordet, " sa Nix, inklusive utforskningar av formen och funktionen hos de taggiga proteiner som sticker ut ur covid-19-viruset i de nu allmänt förekommande färglagda bilderna som visas på covid-19-relaterade webbplatser och nyhetsartiklar.

Strukturella studier kan leda till läkemedel som riktar sig mot och attackerar viruset samtidigt som de lämnar andra vitala system intakta, till exempel, eller som på annat sätt kan förbättra kroppens försvar mot viruset.

"Det finns proteiner som utgör virusstrukturen och ett stort antal andra, icke-strukturella proteiner som hjälper till i virusets infektionscykel, sa Marc Allaire, en strållinjeforskare vid ALS som stödjer flera strållinjer som drivs av Berkeley Center for Structural Biology. Centret får stöd från deltagande medlemmar för detta arbete, inklusive från en stor grupp läkemedelsföretag över hela USA och internationellt.

Centret är en del av labbets division Molecular Biophysics and Integrated Bioimaging (MBIB), som är ansluten till alla strållinjer och personal som deltar i den första satsen av godkända covid-19-relaterade experiment.

De tidigaste experimenten sedan ALS startade om använde tre ALS-strållinjer (strållinjer 4.2.2, 5.0.1, och 5.0.2) som alla är specialiserade på makromolekylär kristallografi, en teknik för att lära sig 3D-strukturen hos proteiner, virus, och andra prover genom att stråla röntgenstrålar i deras kristalliserade former.

Ljus från röntgenstrålar som träffar kristallerna producerar mönster som datorer sedan bearbetar till 3D-rekonstruktioner av proverna.

"Jag är glad att ALS kan bidra till detta viktiga arbete och göra sina verktyg tillgängliga för det biovetenskapliga forskarsamhället, ", sa ALS-direktör Steve Kevan. "Jag vill personligen tacka våra strållinjeforskare och operationspersonal för att de arbetat tillsammans för att få detta att hända under mycket prövande omständigheter."

MBIB-direktör Paul Adams sa, "Det är ett bevis på vikten av ALS för denna typ av biomedicinsk forskning att så många grupper har begärt tillgång till hjälp i sina ansträngningar att ta itu med covid-19. Strållinjerna som används för kristallografiarbetet utvecklade en "snabbrespons"-kapacitet många år sedan, med fjärråtkomst och automatisk datainsamling och analys, och var därför redo att slå igång när den här krisen inträffade."

Arbete som har godkänts vid ALS inkluderar patentskyddade experiment av flera läkemedelsföretag:Schweiz-baserade Novartis, som har ett kontor i Emeryville, Kalifornien; San Francisco-baserad Vir Biotechnology; och Kanada-baserade IniXium, en kontraktsforskningsorganisation för läkemedelsupptäckande som betjänar den amerikanska bioteknikindustrin.

Också i den första omgången är kristallografiexperiment av en grupp forskare från David Veeslers labb, en docent vid University of Washington. Det teamet fokuserar på de taggiga proteinerna på ytan av COVID-19-viruset, som viruset använder för att binda till och komma in i värdceller, och hur man neutraliserar dem.

Ett annat lag, leds av Daved Fremont, professor vid Washington University i Saint Louis, kommer att skicka kristalliserade prover till ALS, liksom ett team som leds av James Hurley, Judy C. Webbs ordförande och professor i biokemi, biofysik, och strukturell biologi vid UC Berkeley.

Hurley sa att tre strukturbiologer i hans labb arbetar med forskning om covid-19:Tom Flower, Cosmo Buffalo, och Snow Ren. Forskarna "har en enorm erfarenhet av röntgenkristallografi och kryoelektronmikroskopi, "en annan teknik för att utforska biologiska prover, han sa.

"De har börjat arbeta med flera projekt för att karakterisera strukturer involverade i virusreplikering, med betoning på att förstå hur virala proteiner interagerar med värdproteiner och membran, och om den snabba tillämpningen av denna information för upptäckt av antivirala läkemedel i samarbete med andra på campus, " han lade till.

Under aids-pandemin på 1980-talet, Hurley bytte fält från fysik till strukturbiologi. "Jag såg hur strukturell biologi hjälpte till på ett avgörande sätt i skapandet av HIV-antivirala läkemedel som gjorde AIDS till en behandlingsbar sjukdom istället för en dödsdom. Den erfarenheten ger mig ett perspektiv på hur strukturell biologi kan hjälpa till med att skapa nya antivirala medel, " han sa.

Ett team ledd av Natalie Strynadka, en biokemiprofessor vid University of British Columbia i Kanada, förväntas också skicka kristallprover för ALS-experiment. Strynadka sa att hennes labb samarbetar med ett team i Vancouver, Kanada, för att identifiera små molekylära hämmare som bromsar COVID-19:s huvudsakliga virala proteas (MPro), ett enzym som bryter ner proteiner till mindre former.

I relaterat arbete, hennes labb arbetar med Pennsylvania-baserade Venatorx Pharmaceuticals och ett team som leds av David Baker vid University of Washington för att identifiera MPro-hämmare. "Att förstå var och hur dessa hämmare binder till MPro med hjälp av röntgenkristallografi kommer att vara nyckeln till att vägleda vidare utveckling, " Hon sa.

Ralf Bartenschlager, en virolog och professor vid Heidelbergs universitet i Tyskland, kommer att skicka prover av covid-19-infekterade celler, inaktivt, för studier med en teknik som kallas mjuk röntgentomografi. I detta samarbete, Syftet är att reda ut hur infektion med SARS-CoV-2-viruset förändrar strukturen och organisationen av infekterade celler, med det långsiktiga målet att identifiera virala och cellulära mål störda av infektion som är lämpliga för antiviral terapi. Experimentet kommer att övervakas av labbets Carolyn Larabell, också professor vid UC San Francisco och chef för National Center for X-ray Tomography, som utvecklar avbildningsteknologier för biologisk och biomedicinsk forskning.

ALS ber också forskarvärlden att lämna in andra förslag för covid-19-relaterade experiment, sa Nix.

ALS och Berkeley Labs ledning överväger om de ska öppna upp ytterligare röntgenfunktioner, såsom röntgenspridning med liten vinklar (SAXS) och vidvinkelröntgenspridning, som möjliggör höghastighetskarakterisering av biologiska prover som kan vara i en mer naturlig form än vad vissa andra tekniker tillåter.

Greg Hura, en MBIB-forskare och docent adjungerad professor vid UC Santa Cruz som driver SIBYLS (Structurally Integrated Biology for the Life Sciences) Beamline 12.3.1 vid ALS som utför SAXS-experiment, sa, "SIBYLS kan också spela en roll i ett multi-teknik och multinationellt labbkonsortium för att visualisera de potentiella svagheterna hos COVID-19-viruset, och hjälpa till att utveckla ny diagnostik."

Han lade till, "Virala genom (DNA-sekvenser) är små men de stora molekylerna de kodar för är transformatorer som kan anta många funktioner i olika sammanhang. SAXS ger en möjlighet att studera dessa system i de många sammanhang de kan vara inriktade på, och kan identifiera de tillstånd som är mest mottagliga för att se dem i högre upplösning."

Nix noterade att Beamline 4.2.2, som han driver, och några andra strållinjer vid ALS använder robotsystem för provleverans så att när de väl är fyllda med prover, experiment kan till stor del utföras via fjärrkontroll.

"Jag har inte haft en användare på plats på över 5 år, " han sa.

Det krävdes en laginsats, från ALS-chefer och personal till ledarskap i Berkeley Lab, för att få den covid-19-relaterade forskningen att hända, Nix noterade. "De jobbade, även innan ljuset släcktes, på labbet, för att se vad vi kan göra."

Han noterade också att en mängd olika källor till forskningsfinansiering gör detta arbete möjligt. "Det är offentligt, privat, och statligt stöd alla kommer tillsammans, vilket är riktigt trevligt att se, " han sa.