För att bättre förstå hur det nya coronaviruset beter sig och hur det kan stoppas, Forskare har slutfört en tredimensionell karta som avslöjar platsen för varje atom i en enzymmolekyl som är avgörande för SARS-CoV-2-reproduktion.

Forskare vid Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory använde neutronspridning för att identifiera nyckelinformation för att förbättra effektiviteten hos läkemedelshämmare utformade för att blockera virusets replikationsmekanism. Forskningen publiceras i Journal of Biological Chemistry .

SARS-CoV-2-viruset, som orsakar covid-19-sjukdomen, uttrycker långa proteinkedjor bestående av cirka 1, 900 aminosyrarester. För att viruset ska reproducera sig, dessa kedjor måste brytas ner och skäras i mindre strängar av ett enzym som kallas huvudproteaset. Det aktiva proteasenzymet bildas av två identiska proteinmolekyler som hålls samman av vätebindningar. Att utveckla ett läkemedel som hämmar eller blockerar proteasaktiviteten kommer att förhindra viruset från att replikera och spridas till andra celler i kroppen.

"Denna nya information är exakt vad som behövs för att designa hämmare med en högre grad av specificitet, se till att inhibitormolekylerna binder mycket tätt till sina avsedda mål och inaktiverar proteaset, " sa ORNLs Andrey Kovalevsky, motsvarande författare.

Neutronexperiment visade först att platsen som innehåller aminosyrorna där proteinkedjorna skärs är i ett elektriskt laddat reaktivt tillstånd och inte i ett vilande eller neutralt tillstånd, i motsats till tidigare uppfattningar. Andra, de kartlagt platsen för varje väteatom på de platser där inhibitorer skulle binda till proteasenzymet, liksom de elektriska laddningarna av de associerade aminosyrorna. Experimenten kartlade också hela nätverket av vätebindningar mellan proteinmolekylerna som håller ihop enzymet och gör det möjligt att initiera den kemiska processen att skära proteinkedjorna.

"Hälften av atomerna i proteiner är väte. Dessa atomer är nyckelspelare i enzymatisk funktion och är avgörande för hur droger binder, " sa Kovalevsky. "Om vi ​​inte vet var dessa väten finns och hur de elektriska laddningarna är fördelade inuti proteinet, vi kan inte designa effektiva hämmare för enzymet. "

Teamets neutronstudie bygger på tidigare forskning som publicerats i tidskriften Naturkommunikation , skapa en fullständig atomstruktur av proteasenzymet. Forskarna har också gjort sina data allmänt tillgängliga för forskarvärlden innan båda artiklarna publicerades för att påskynda lösningar på den globala pandemin.

Neutroner är idealiska sonder för att studera biologiska strukturer eftersom de är oförstörande och mycket känsliga för ljuselement som väte. Neutronspridningsexperimenten utfördes vid High Flux Isotope Reactor och Spallation Neutron Source vid ORNL. Proteinproverna syntetiserades i angränsande anläggningar vid Center for Structural Molecular Biology.

"Detta kan vara den snabbaste neutronstrukturen för ett protein som någonsin producerats. Vi startade neutronförsök i maj, och inom fem månader, vi erhöll och publicerade våra resultat. Det är något som vanligtvis tar år, ", sade ORNL motsvarande författare Leighton Coates. "Detta arbete visar vad vi kan göra på Oak Ridge. Allt gjordes här från början till slut. Proteinerna uttrycktes, renat, och kristalliserade, och all data samlades in och analyserades på plats - ett helt vertikalt integrerat tillvägagångssätt. "

Teamet kommer nu att använda den nyligen erhållna informationen för att undersöka bindningsegenskaperna hos läkemedelsmolekylkandidater för att producera förbättrad COVID-19-terapi.

"Det här är inte bara första gången någon har fått en neutronstruktur av ett coronavirus -protein, men det är också första gången någon har tittat på denna klass av proteasenzymer med neutroner, sa Daniel Kneller från ORNL, studiens första författare. "Det är ett enastående exempel på neutronkristallografi som tjänar samhället när det behöver det som mest."