Sedan de första dagarna av covid-pandemin, Forskare har aggressivt förföljt hemligheterna bakom de mekanismer som tillåter allvarligt akut respiratoriskt syndrom coronavirus 2 (SARS-CoV-2) att komma in och infektera friska mänskliga celler.
Tidigt i pandemin, Rommie Amaro från University of California San Diego, en beräkningsbiofysisk kemist, hjälpte till att utveckla en detaljerad visualisering av SARS-CoV-2 spikproteinet som effektivt fäster på våra cellreceptorer.
Nu, Amaro och hennes forskarkollegor från UC San Diego, University of Pittsburgh, University of Texas i Austin, Columbia University och University of Wisconsin-Milwaukee har upptäckt hur glykaner – molekyler som utgör en sockerhaltig rest runt spikeproteinets kanter – fungerar som infektionsportar.
Publicerad 19 augusti i tidskriften Naturkemi , en forskningsstudie ledd av Amaro, co-senior författare Lillian Chong vid University of Pittsburgh, första författare och UC San Diego doktorand Terra Sztain och medförsta författare och UC San Diego postdoktor Surl-Hee Ahn, beskriver upptäckten av glykan "grindar" som öppnas för att tillåta SARS-CoV-2 inträde.
"Vi har i princip tagit reda på hur spiken faktiskt öppnar sig och infekterar, sa Amaro, en professor i kemi och biokemi och en senior författare till den nya studien. "Vi har avslöjat en viktig hemlighet med spetsen i hur det infekterar celler. Utan denna port är viruset i princip oförmöget att smittas."
Amaro tror att forskargruppens gate-upptäckt öppnar potentiella vägar för nya terapier för att motverka SARS-CoV-2-infektion. Om glykangrindar farmakologiskt kunde låsas i stängt läge, då förhindras viruset effektivt från att öppna sig för att komma in och infektion.
Piggens beläggning av glykaner hjälper till att lura det mänskliga immunsystemet eftersom det inte framstår som något annat än en sockerhaltig rest. Tidigare teknologier som avbildade dessa strukturer avbildade glykaner i statiska öppna eller stängda positioner, som till en början inte väckte så mycket intresse från forskare. Supercomputing-simuleringar gjorde det sedan möjligt för forskarna att utveckla dynamiska filmer som avslöjade glykanportar som aktiverades från en position till en annan, erbjuder en aldrig tidigare skådad del av infektionsberättelsen.
"Vi kunde faktiskt se öppningen och stängningen, ", sa Amaro. "Det är en av de riktigt coola sakerna som dessa simuleringar ger dig – möjligheten att se riktigt detaljerade filmer. När du tittar på dem inser du att du ser något som vi annars skulle ha ignorerat. Du tittar bara på den slutna strukturen, och sedan tittar du på den öppna strukturen, och det ser inte ut som något speciellt. Det är bara för att vi fångade filmen av hela processen som du faktiskt ser den göra sin grej."
"Standardtekniker skulle ha krävt år för att simulera denna öppningsprocess, men med mitt labbs "viktade ensemble" avancerade simuleringsverktyg, vi kunde fånga processen på bara 45 dagar, " sa Chong.
De beräkningsintensiva simuleringarna kördes först på Comet vid San Diego Supercomputer Center vid UC San Diego och senare på Longhorn vid Texas Advanced Computing Center vid UT Austin. Sådan datorkraft gav forskarna syn på atomär nivå av spikproteinreceptorbindningsdomänen, eller RBD, ur mer än 300 perspektiv. Undersökningarna avslöjade glykan "N343" som stiftet som styr RBD från "ner" till "upp" position för att ge tillgång till värdcellens ACE2-receptor. Forskarna beskriver N343-glykanaktivering som liknar en "molekylär kofotsmekanism".
Jason McLellan, en docent i molekylär biovetenskap vid UT Austin och hans team skapade varianter av spikeproteinet och testade för att se hur bristen på glykanporten påverkade RBD:s förmåga att öppna.
"Vi visade att utan den här grinden, spikproteinets RBD kan inte ta den konformation den behöver för att infektera celler, " sa McLellan.
