Neue Computermodelle und Simulationen des Los Alamos National Laboratory zeigen Forschern, wie das Virus, das COVID-19 verursacht, es schafft, sein Spike-Protein zu verwenden, um mit menschlichen Zellen zu verschmelzen und diese zu infizieren. Die Bilder auf atomarer Ebene, die auf dem März-Treffen der American Physical Society präsentiert werden, stimmen trotz der großen Herausforderungen der Bildgebung bei einer so hohen Auflösung sehr gut mit Kryo-Elektronenmikroskopie-Daten überein.
„Ein besseres Verständnis des Eintritts des COVID-19-Virus und der Struktur des Spike-Proteins wird dazu beitragen, den Mechanismus der COVID-19-Infektion, die Wirkung von Varianten, die Impfstoffoptimierung und das Arzneimitteldesign für die Behandlung zu klären“, sagte Karissa Sanbonmatsu, a Strukturbiologe aus Los Alamos im Projekt. Die Entwicklung eines digitalen Zwillings der extrem kleinen, aber wichtigen Strukturen ermöglicht es den Forschern, potenzielle Techniken zur Blockierung der Infektion an der Quelle zu untersuchen.
Warum dieses winzige Stück des Stachels zum Studieren wählen? COVID-19-Infektionen erfordern, dass das Virus in menschliche Wirtszellen eindringt, und das Spike-Protein spielt bei diesem Prozess eine Schlüsselrolle, sagte Sanbonmatsu. Tatsächlich weisen die vielen Varianten des Coronavirus, einschließlich Delta und Omicron, mehrere Mutationen im Spike-Protein auf.
Ein Schritt des Viruseintritts wird als Viruszellfusion bezeichnet, bei der das Coronavirus tatsächlich mit der menschlichen Wirtszelle verschmilzt. Dies ist nicht gut verstanden, insbesondere die Region des Spike-Proteins des Virus, die als Fusionspeptidregion bezeichnet wird. Die Fusionsregion gilt als hochdynamisch und ist mit herkömmlichen Techniken wie Kryo-Elektronenmikroskopie und Röntgenkristallographie schwer mit hoher Auflösung abzubilden.
„Da die Fusionsregion des Spike-Proteins die Virus-Zell-Fusion vermittelt und den Eintritt des Virus in die Zelle unterstützt“, sagte Chang-Shung Tung, ein Partner der Forschung, „liefert diese Studie grundlegende mechanistische Daten, die für das Verständnis von Varianten nützlich sein können und Verbesserung von Impfstoffen und Behandlungen.“
Unter Verwendung der Chicoma-Computerplattform, einem der Supercomputer in Los Alamos, erstellte der Los-Alamos-Forscher Tung 3D-Strukturmodelle dieser Region, und Sanbonmatsu führte molekulare Simulationen durch und schuf ein Ensemble von 3D-Strukturen, die in hohem Maße mit Kryo-Elektronenmikroskopie-Daten übereinstimmen und einige davon lieferten die ersten 3D-Bilder der Fusionsregion im atomistischen Detail.
„Das Spike-Protein durchläuft während des Viruseintritts viele Drehungen und Wendungen, was es schwierig macht, es sichtbar zu machen“, sagte Tung. „Aufbauend auf Daten von anderen Viren haben wir 3D-Modellierung verwendet, um Bereiche der Spitze zu erfassen, die die Menschen zuvor noch nicht gesehen haben.“
Das Papier wird nach einer Präsentation auf dem Treffen der American Physical Society im März veröffentlicht.