Исследователи из группы теоретической и вычислительной биофизики Института передовых наук и технологий Бекмана в Иллинойсе опубликовали свою работу в журнале Structure.
Ретровирусы, такие как ВИЧ, сложно лечить. Они проходят многоступенчатый процесс для образования инфекционных частиц.
Вирусы, которые выделяются из инфицированных клеток, изначально находятся в незрелом состоянии и состоят из генома РНК, окруженного белковой оболочкой. После выпуска вирусы подвергаются процессу созревания, который перестраивает вирусные белки и активирует преобразование генома РНК в ДНК посредством процесса, называемого обратной транскрипцией.
Затем вирусная ДНК вторгается в геном клетки-хозяина. Инфицированная клетка запрограммирована на выпуск нескольких копий незрелого вируса в кровоток хозяина. Эти недавно выпущенные вирусы, в свою очередь, должны созреть, прежде чем они смогут заразить другие клетки.
Мало того, что ретровирусы вызывают пожизненные инфекции, но также в сложном процессе обратной транскрипции РНК в ДНК может происходить множество мутаций, что еще больше затрудняет нацеливание на ретровирус.
Одна из стратегий предотвращения распространения ретровируса – заблокировать вирусные частицы в незрелом, неинфекционном состоянии. К сожалению, сложность и размер вирусной частицы – неправильная и неполная гексагональная оболочка размером около 100 нанометров – помешали экспериментальному определению структуры частицы на атомном уровне.
В ряде исследований изучалась структура вируса саркомы Рауса (RSV), который поражает птиц и представляет собой хорошую модель для других ретровирусов, но ни одно из них не смогло представить с высоким разрешением незрелую стадию вируса.
В течение двух лет исследователи проводили расчеты и моделирование, чтобы выявить структурные особенности вируса. С помощью суперкомпьютера Titan в компании Oak Ridge Leadership Computing Facility в Теннесси и суперкомпьютера Blue Waters в Национальном центре суперкомпьютерных приложений (NCSA) в Иллинойсе исследователи первыми представили структурную модель на атомном уровне незрелых людей. ретровирусная решетка RSV. Моделирование за пять микросекунд, описывающее движение полумиллиона атомов, включает в себя изрядный расчет, который занял пять дней с использованием 30 процентов суперкомпьютера Titan, более 5000 вычислительных узлов – каждый узел эквивалентен высокопроизводительной рабочей станции.
«У нас было довольно хорошее понимание зрелой инфекционной частицы на уровне, на котором мы можем делать конкретные прогнозы о локальных химических взаимодействиях между белковыми субъединицами вируса», – сказала Ребекка Крейвен, профессор микробиологии и иммунологии из Университета штата Пенсильвания. и один из авторов исследования. "Но в этой области действительно не хватало аналогичных знаний с высоким разрешением о незрелом вирусе.
Эта новая модель – первая, которая дает нам атомарный взгляд на незрелое состояние. Обладая этими знаниями, мы можем попытаться понять точные молекулярные механизмы созревания вирусов и помочь выяснить, как можно создавать лекарственные препараты, препятствующие этому."
По словам Бун Чонг Го, аспиранта факультета физики из Иллинойса и ведущего автора исследования, домен пучка из шести спиралей, расположенный на внутренней поверхности незрелой белковой оболочки, может быть ключом к пониманию и блокированию вируса.
«Последние достижения в области криоэлектронной томографии позволяют нам моделировать большую часть незрелой ретровирусной решетки, за исключением области пучка шести спиралей», – сказал Гох. "Экспериментаторы не имеют четкого представления об этой области из-за ее высокой гибкости.
И вот где мы входим. Используя передовые вычислительные методы и суперкомпьютеры, мы смоделировали и уточнили полностью атомную модель пучка из шести спиралей.
Исследователи полагают, что пучок из шести спиралей является амфипатическим, химическим свойством, которое обладает сродством как к воде, так и к жиру, и что он заключен в кольцо солевых мостиков, способствующих стабильности пучка.
"ВИЧ является близким родственником RSV, и известно, что у ВИЧ есть этот домен, который в течение многих лет был мишенью для лекарств.
Лекарство под названием Bevirimat (BVM) было разработано для нацеливания на пучок из шести спиралей незрелого ВИЧ, но оно не прошло клинических испытаний ", – сказал Гох.
«Опыт с BVM действительно показал, что ингибиторы, нацеленные на домен пучка шести спиралей, могут быть очень мощными антиретровирусными препаратами против ВИЧ, предотвращая созревание вируса», – сказал Крейвен.
«Основная идея состоит в том, что у вас есть две формы вируса: незрелая и зрелая», – сказал Хуан Перилла, научный сотрудник и соавтор исследования. "Незрелая форма не заразна, поэтому идея состоит в том, что в конечном итоге вы хотите предотвратить ее превращение в зрелую форму. Проблема в том, что BVM нацелен на домен пучка из шести спиралей, но никто на самом деле не знает структуру незрелой решетки в ВИЧ.
Есть несколько моделей, но они не высокого разрешения, поэтому мы решили работать в этом направлении и выбрали RSV, потому что это хорошая модель для изучения вируса. Наш следующий шаг – перейти к ВИЧ."
«Этот результат является примером того, как вычислительная методология действительно дополняет эксперименты в медицинских лабораториях», – сказал Клаус Шультен, директор TCBG и профессор физики.
По словам Шультена, вычислительные эксперименты могут помочь найти решения сложных проблем в лаборатории.
"Живой мир состоит из молекул, и вам нужно знать этот мир.
Иногда вы просто делаете это методом проб и ошибок в химической исследовательской лаборатории и видите, что недавно разработанная молекула лекарства имеет определенный эффект, который часто вы понимаете только позже. Но есть, конечно, более систематический способ решения молекулярного мира, а именно вычислительный способ, использованный в нашем исследовании RSV, и можно вывести медицинские методы лечения на основе знаний, полученных с помощью вычислений », – объяснил Шультен. "Это будет происходить все чаще и чаще."
Группа уже начала процесс изучения незрелого вируса ВИЧ на суперкомпьютере Blue Waters, расположенном в Национальном центре суперкомпьютерных приложений в Иллинойсе.