Реинжиниринг антител к COVID-19
Структурная модель инфекции SARS-CoV-2. Эта структурная модель была построена с использованием UCSF Chimera с использованием высокопроизводительных компьютеров (Bridges Large и Frontera). Модель демонстрирует 16 вирусов, с белками шипов, показанными зеленым цветом (ID PDB: 6VSB) и фактической липидной бислойной мембраной, с димерами ACE2, показанными пурпурным. Все эти структуры имеют атомное разрешение. Длина мембраны составляет примерно 1 микрометр. Предоставлено: Виктор Падилья-Санчес, Католический университет Америки.

С миллионами случаев COVID-19, зарегистрированных по всему миру, люди обращаются к тестам на антитела, чтобы выяснить, не подвергался ли они воздействию коронавируса, который вызывает заболевание. Но что такое антитела? Почему они важны? Если они у нас есть, мы застрахованы от COVID-19? И если нет, то почему?

Тесты на антитела выявляют наличие антител, специфических белков, вырабатываемых в ответ на инфекции. Антитела специфичны для заболевания. Например, антитела против кори защитят вас от кори, если вы снова подвергнетесь им, но не защитят вас от эпидемического паротита, если вы подвергаетесь эпидемическому паротиту.

«Антитела важны, потому что они предотвращают инфекцию и лечат пациентов, страдающих от болезней», — сказал Виктор Падилья-Санчес, исследователь из Католического университета Америки в Вашингтоне. «Если у нас есть антитела, мы невосприимчивы к болезням, пока как они есть в вашей системе, вы защищены. Если у вас нет антител, заражение продолжается, и пандемия продолжается. «

Эта форма защиты на основе чужеродных антител называется пассивным иммунитетом — кратковременный иммунитет, предоставляемый, когда человеку дают антитела к заболеванию, а не вырабатывают эти антитела через собственную иммунную систему.

«Сейчас мы на начальном этапе, и я надеюсь, что моя работа может помочь», — сказал Падилья-Санчес. Падилья-Санчес специализируется на вирусах. В частности, он использует компьютерные модели для понимания структуры вирусов на молекулярном уровне и использует эту информацию, чтобы попытаться выяснить, как функционирует вирус.

Тяжелый острый респираторный синдром (ТОРС) был первым новым инфекционным заболеванием, выявленным в 21 веке. Это респираторное заболевание возникло в китайской провинции Гуандун в ноябре 2002 года. Всемирная организация здравоохранения определила этот новый коронавирус (SARS-CoV) в качестве агента, вызвавшего вспышку.

Сейчас мы находимся в середине еще одного нового коронавируса (SARS-CoV-2), который появился в Ухане, Китай, в 2019 году. COVID-19, болезнь, вызванная SARS-CoV-2, быстро стала распространение пандемии, которая достигла большинства стран мира. По состоянию на июль 2020 года COVID-19 заразил более 15,5 миллиона человек во всем мире более чем 630 000 человек.


Реинжиниринг антител для COVID-19
Структурный анализ SARS-CoV шипа гликопротеина. На рисунке показан спайковый белок SARS-CoV (ID PDB: 6ACG), связанный с антителом ACE2 (коричневый) и антителом 80R (голубой), наложенным на один и тот же сайт связывания. В B показан белок-шип, связанный только с антителом 80R (ID PDB: 2GHW), со структурной моделью RBD белка-шипа SARS-CoV-2 (пурпурный), содержащего отсутствующие петли. Эта модель гомологии послужила основой для экспериментов по стыковке. На C показан шип, окрашенный субъединицей и показывающий гликаны. Существует только два возможных гликана в области RBD в 331 и 343, и ни один из этих сайтов не влияет на связывание 80R. Предоставлено: Виктор Падилья-Санчес, научный сотрудник, Католический университет Америки

На сегодняшний день нет никаких вакцин или терапевтических средств для борьбы с болезнью.

Поскольку оба заболевания (SARS-CoV и SARS-CoV-2) имеют один и тот же белок-спайк, ключ входа, который пропускает вирус в клетки человека, идея Падилья-Санчеса заключалась в том, чтобы взять антитела, обнаруженные в первой вспышке в 2002—80R и m396 — и реинжиниринг их, чтобы они соответствовали текущему вирусу COVID-19.

Исследование, проведенное в июне 2020 года в онлайн-журнале Research Ideas and Outcomes, описывает усилия Padilla-Sanchez по решению этой проблемы с помощью компьютерного моделирования. Он обнаружил, что различия в последовательностях препятствуют связыванию 80R и m396 с COVID-19.

«Понимание того, почему 80R и m396 не связываются с остроконечным белком SARS-CoV-2, может проложить путь к созданию новых эффективных антител», — сказал Падилья-Санчес. «Мутированные версии антител 80r и m396 могут быть получены и введены в качестве терапевтического средства для борьбы с болезнью и предотвращения инфекции».

Его эксперименты по стыковке показали, что аминокислотные замены в 80R и m396 должны увеличивать связывающие взаимодействия между антителами и SARS-CoV-2, обеспечивая новые антитела для нейтрализации вируса.

«Теперь мне нужно доказать это в лаборатории», — сказал он.

В своих исследованиях Падилья-Санчес опирался на суперкомпьютерные ресурсы, выделенные через среду экстремальных научных и инженерных открытий (XSEDE). XSEDE — это единая виртуальная система, финансируемая Национальным научным фондом и используемая учеными для интерактивного обмена вычислительными ресурсами, данными и опытом.


Реинжиниринг антител для COVID-19
Стыковочный интерфейс между модифицированным антителом 80R и RBD белка спайка SARS-CoV-2. Модель показывает структурный интерфейс с антителом 80R выше и RBD ниже. Семь замен в 80R показаны пурпурным, а остатки RBD показаны голубым. Обратите внимание, что замены в 80R позволяют новые ароматические-ароматические взаимодействия, которые улучшают связывание с RBD и не присутствуют в диком типе 80R. E484 показан направленным на бета-цепь 80R, и поэтому было введено замещение глицином, чтобы избежать столкновений. Предоставлено: Виктор Падилья-Санчес, научный сотрудник, Католический университет Америки

Распределенные по XSEDE системы Stampede2 и Bridges в Техасском вычислительном центре (TACC) и Питтсбургском суперкомпьютерном центре поддерживали эксперименты по стыковке, макромолекулярные сборки, а также крупномасштабный анализ и визуализацию.

«Ресурсы XSEDE были необходимы для этого исследования», — сказал Падилья-Санчес.

Он провел эксперименты по стыковке на Stampede2 с использованием пакета программ Rosetta, который включает алгоритмы для компьютерного моделирования и анализа белковых структур. Программное обеспечение фактически связывает белки, а затем предоставляет оценку для каждого эксперимента по связыванию. «Если вы найдете хорошую позицию для стыковки, вы можете рекомендовать, чтобы это новое мутировавшее антитело было запущено в производство».

Суперкомпьютер TACC Frontera, 8-й самый мощный суперкомпьютер в мире и самый быстрый суперкомпьютер в университетском городке, также оказал жизненно важную помощь Падилья-Санчес. Он использовал программное обеспечение Chimera на Frontera для создания визуализаций с очень высоким разрешением. Оттуда он перенес работу на Bridges из-за ее больших узлов памяти.

«Frontera обладает высокой производительностью при импорте большого количества больших данных. Обычно мы можем посмотреть только на белковые взаимодействия, но с помощью Frontera и Bridges мы смогли изучить полные процессы заражения на компьютере», — сказал он. Выводы Падиллы-Санчес будут проверены в мокрой лаборатории. После успешного завершения этого этапа его работа может перейти к испытаниям на людях.

В настоящее время различные лаборатории по всему миру уже тестируют вакцины.

«Если мы не найдем вакцину в ближайшем будущем, у нас все еще будет пассивный иммунитет, который может предотвратить инфекцию в течение нескольких месяцев, пока у вас есть антитела», — сказал Падилья-Санчес. «Конечно, вакцина — лучший результат. Однако пассивный иммунитет может стать быстрым способом облегчения пандемии».




Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *