Viruset som orsakar förödelse i våra liv är en effektiv infektionsmaskin. Består av endast 29 proteiner (jämfört med våra 400, 000), med ett genom 1/200, 000 lika stor som vår, SARS-CoV-2 har utvecklats sakkunnigt för att lura våra celler att bidra med sina maskiner för att hjälpa till med dess spridning.

Under de senaste månaderna, forskare har lärt sig mycket om mekaniken hos denna sinnlösa fiende. Men det vi har lärt oss bleknar fortfarande i jämförelse med det vi inte vet.

Det finns ett antal sätt som forskare avslöjar hur ett virus fungerar. Endast genom att använda dessa metoder tillsammans kan vi hitta och utnyttja coronavirusets svaga punkter, säger Ahmet Yildiz, docent i fysik och molekylär cellbiologi vid University of California, Berkeley.

Yildiz och hans samarbetspartner Mert Gur vid Istanbuls tekniska universitet kombinerar superdatordrivna molekylära dynamiksimuleringar med enstaka molekylexperiment för att avslöja virusets hemligheter. Särskilt, de studerar dess spike (S) protein, den del av viruset som binder till mänskliga celler och påbörjar processen att infoga viralt RNA i cellen.

"Många grupper attackerar olika stadier av denna process, "Gur sa. "Vårt första mål är att använda simuleringar av molekylär dynamik för att identifiera de processer som händer när viruset binder till värdcellen."

Det finns tre kritiska faser som gör att spikproteinet kan bryta sig in i cellen och börja replikera, säger Yildiz.

Först, spikproteinet behöver förvandlas från en stängd konfiguration till en öppen. Andra, spikproteinet binder till sin receptor på utsidan av våra celler. Denna bindning utlöser en konformationsförändring inom spikproteinet och tillåter ett annat mänskligt protein att klyva spiken. Till sist, den nyligen exponerade ytan på spiken interagerar med värdcellmembranet och gör det möjligt för virus-RNA att komma in och kapa cellen.

I början av februari, elektronmikroskopbilder avslöjade strukturen av spikproteinet. Men ögonblicksbilderna visade bara de huvudsakliga konfigurationerna som proteinet tar, inte övergången, mellan stegen. "Vi ser bara ögonblicksbilder av stabila konformationer, ", sa Yildiz. "Eftersom vi inte vet tidpunkten för händelser som tillåter proteinet att gå från en stabil konformation till nästa, vi känner ännu inte till dessa mellanliggande konformationer."

Det är där datormodellering kommer in. Mikroskopbilderna ger en användbar utgångspunkt för att skapa modeller av varje atom i proteinet, och dess miljö (vatten, joner, och cellens receptorer). Därifrån, Yildiz och Gur satte igång proteinet och tittade för att se vad som hände.

"Vi visade att S-proteinet besöker ett mellanliggande tillstånd innan det kan docka till receptorproteinet på värdcellmembranet", sa Gur. "Detta mellantillstånd kan vara användbart för läkemedelsinriktning för att förhindra att S-proteinet initierar virusinfektion."

Medan många andra grupper runt om i världen undersöker virusets bindande ficka, i hopp om att hitta ett läkemedel som kan blockera viruset från att fästa på mänskliga celler, Yildiz och Gur tar ett mer nyanserat grepp.

"Spikeproteinet binder starkt till sin receptor med ett komplext interaktionsnätverk, " förklarade Yildiz. "Vi visade att om du bara bryter en av dessa interaktioner, du kommer fortfarande inte att kunna stoppa bindningen. Det är därför vissa av de grundläggande läkemedelsutvecklingsstudierna kanske inte ger de önskade resultaten."

Men om det är möjligt att förhindra att spikeproteinet går från ett stängt till öppet tillstånd - eller ett tredje, mellantillstånd som vi inte ens är medvetna om till det öppna tillståndet – det kan lämpa sig för en behandling.

Hitta, och bryta, de viktiga banden

Den andra användningen av datorsimuleringar av Yildiz och Gur identifierade inte bara nya tillstånd, men de specifika aminosyrorna som stabiliserar varje tillstånd.

"Om vi ​​kan bestämma de viktiga kopplingarna på enstaka aminosyranivå - vilka interaktioner stabiliserar och är avgörande för dessa bekräftelser - kan det vara möjligt att rikta in sig på dessa tillstånd med små molekyler, " sa Yildiz.

Att simulera detta beteende på atomnivå eller individuell aminosyra är otroligt beräkningsintensivt. Yildiz och Gur fick tid på Stampede2-superdatorn vid Texas Advanced Computing Center (TACC) – den näst snabbaste superdatorn vid ett amerikanskt universitet och den 19:e snabbaste totalt – genom COVID-19 HPC Consortium. Att simulera en mikrosekund av viruset och dess interaktioner med mänskliga celler - ungefär en miljon atomer totalt - tar veckor på en superdator ... och skulle ta år utan en.

"Det är en beräkningskrävande process, " sade Yildiz. "Men förutsägelsekraften i detta tillvägagångssätt är mycket kraftfull."

Yildiz och Gur team, tillsammans med cirka 40 andra forskargrupper som studerar covid-19, har fått förtur till TACC-system. "Vi är inte begränsade av hastigheten med vilken simuleringarna sker, så det pågår ett realtidskapplöpning mellan vår förmåga att köra simuleringar och analysera data."

Med tiden av det väsentliga, Gur och hans medarbetare har kört igenom beräkningar, återskapa spikproteinets atomära peregrinationer när det närmar sig, binder till, och interagerar med angiotensinomvandlande enzym 2 (ACE2)-receptorer - proteiner som kantar ytan på många celltyper.

Deras första fynd, som föreslog förekomsten av ett mellanliggande halvöppet tillstånd av S-proteinet kompatibelt med RBD-ACE2-bindning via simuleringar av all-atom molecular dynamics (MD), publicerades i Journal of Chemical Physics .

Vidare, genom att utföra all-atom MD-simuleringar, de identifierade ett utökat nätverk av saltbroar, hydrofoba och elektrostatiska interaktioner, och vätebindning mellan den receptorbindande domänen av spikeproteinet och ACE2. Resultaten av dessa fynd släpptes i BioRxiv.

Att mutera resterna på den receptorbindande domänen var inte tillräckligt för att destabilisera bindningen men minskade det genomsnittliga arbetet för att ta bort spikproteinet från ACE2. De föreslår att blockering av denna plats via neutraliserande antikropp eller nanobody kan visa sig vara en effektiv strategi för att hämma spike protein-ACE2-interaktioner.

För att bekräfta att de datorbaserade insikterna är korrekta, Yildizs team utförde laboratorieexperiment med en molekylär fluorescensresonansenergiöverföring (eller smFRET) - en biofysisk teknik som används för att mäta avstånd i en till 10 nanometerskala i enstaka molekyler

"Tekniken tillåter oss att se konformationsförändringarna av proteinet genom att mäta energiöverföringen mellan två ljusemitterande prober, " sa Yildiz.

Även om forskare fortfarande inte har en teknik för att se atomdetaljerna för molekyler i rörelse i realtid, kombinationen av elektronmikroskopi, avbildning av en molekyl, och datorsimuleringar kan ge forskare en rik bild av virusets beteende, säger Yildiz.

"Vi kan få ögonblicksbilder av atomupplösning av frusna molekyler med elektronmikroskopi. Vi kan få atomnivåsimuleringar av proteinet i rörelse med hjälp av molekylär dynamik i en kort tidsskala. Och med hjälp av enmolekylära tekniker kan vi härleda den dynamik som saknas från elektroner mikroskopi och simuleringar, ", avslutade Yildiz. "Att kombinera dessa metoder ger oss hela bilden och dissekerar mekanismen för ett virus som kommer in i värdcellen."