Come minuscoli cardini piegano i picchi di diffusione dell’infezione di un coronavirus

Ora i ricercatori dello SLAC National Accelerator Laboratory del Dipartimento dell’Energia e dell’Università di Stanford, insieme a collaboratori di altre tre università, hanno ottenuto immagini ad alta risoluzione di picchi di coronavirus intatti sulla superficie delle particelle virali; ha identificato una minuscola cerniera circondata da molecole di zucchero che consente alla “corona” simile a un globo della punta di piegarsi sul suo gambo; e ha misurato quanto può inclinarsi in qualsiasi direzione.

Sebbene lo studio sia stato condotto su un cugino molto meno pericoloso del SARS-CoV-2, il coronavirus che causa il COVID-19, esso ha implicazioni anche per il COVID-19, poiché entrambi i virus si legano allo stesso recettore sulla superficie di una cellula per avviare l’infezione, ha affermato Jing Jin, biologo del Vitalant Research Institute e professore assistente aggiunto presso l’Università della California, a San Francisco, che ha eseguito esperimenti di virologia per lo studio.

I risultati, ha affermato, suggeriscono che disabilitare i cardini del picco potrebbe essere un buon modo per prevenire o curare un’ampia gamma di infezioni da coronavirus.

Il team ha anche scoperto che ogni particella di coronavirus è unica, sia nella forma sottostante che nella visualizzazione dei picchi. Alcuni sono sferici, altri no; alcuni sono irti di punte mentre altri sono quasi calvi.

“I picchi sono flosci e si muovono, e abbiamo utilizzato una combinazione di strumenti per esplorare tutti i loro possibili angoli e orientamenti”, ha affermato Greg Pintilie, uno scienziato di Stanford che ha sviluppato modelli 3D dettagliati del virus e dei suoi picchi. Visto da vicino, ha detto, ogni punta è diversa da tutte le altre, principalmente nella direzione e nel grado di inclinazione.

Il gruppo di ricerca ha riportato i suoi risultati in Comunicazioni sulla natura.

“Dall’inizio della pandemia, la maggior parte degli studi ha esaminato le strutture delle proteine ​​​​del picco del coronavirus che non erano attaccate al virus stesso”, ha affermato Wah Chiu, professore allo SLAC e a Stanford e co-direttore delle strutture Cryo-EM di Stanford-SLAC. dove è stata eseguita l’immagine. “Queste sono le prime immagini realizzate delle punte di questo ceppo di coronavirus mentre sono ancora attaccate alle particelle del virus.”

Il cugino più benigno della SARS-CoV-2

Lo studio affonda le sue radici nei primi giorni della pandemia, quando la ricerca presso lo SLAC si interruppe, ad eccezione del lavoro volto a comprendere, prevenire e trattare le infezioni da COVID-19.

Poiché gli esperimenti con il vero virus SARS-CoV-2 possono avvenire solo in laboratori di biosicurezza di alto livello (BSL3), molti scienziati hanno scelto di lavorare con membri più benigni della famiglia dei coronavirus. Chiu e i suoi colleghi hanno scelto come soggetto il coronavirus umano NL63. Causa fino al 10% delle infezioni respiratorie umane, soprattutto nei bambini e nelle persone immunocompromesse, con sintomi che vanno da tosse lieve e raffreddore a bronchite e groppa.

Nel 2020, ha affermato Chiu, il team ha utilizzato la microscopia elettronica criogenica (crio-EM) e l’analisi computazionale per acquisire immagini delle corone delle punte NL63 con una risoluzione quasi atomica.

Ma poiché il gambo di una spiga è molto più sottile della sua corona, non sono stati in grado di ottenere immagini chiare e ad alta risoluzione di entrambi contemporaneamente.

Zoom sulle punte

Questo studio ha combinato le informazioni raccolte da una serie di esperimenti per ottenere un quadro molto più completo.

Innanzitutto, lo studente laureato di Stanford David Chmielewski ha utilizzato la tomografia elettronica criogenica (crio-ET) per combinare immagini crio-EM di virus prese da diverse angolazioni in immagini 3D ad alta risoluzione di oltre un centinaio di particelle NL63.

Lo scienziato senior dello SLAC Michael Schmid ha collegato quelle immagini a uno strumento di visualizzazione 3D e ha scoperto che ciascuna punta di una particella era piegata in un modo unico. Un altro scienziato dello SLAC, Muyuan Chen, ha utilizzato la ricostruzione avanzata delle immagini per creare mappe che mostrano la densità media delle corone e degli steli delle spighe.

Ingrandendo uno di questi picchi, il chimico biologico Lance Wells dell’Università della Georgia ha utilizzato una tecnica chiamata spettrometria di massa per individuare le composizioni chimiche sito-specifiche delle 39 catene di zucchero attaccate a ciascuna delle tre proteine ​​identiche del picco.

Infine, Abhishek Singharoy, un biofisico computazionale dell’Arizona State University, e il suo studente, Eric Wilson, hanno integrato tutte quelle misurazioni in modelli atomici delle corone e degli steli delle spighe a diversi angoli di piegatura, e hanno effettuato ulteriori simulazioni per vedere quanto lontano e come liberamente una punta può piegarsi.

“Si scopre che, qualunque cosa accada, le punte hanno un angolo di piegatura preferito di circa 50 gradi”, ha detto Chiu, “e possono inclinarsi fino a 80 gradi in qualsiasi direzione nella simulazione, il che si adatta bene al nostro esperimento crio-ET”. osservazioni.”

La piegatura avveniva in un punto del gambo, appena sotto la corona, dove un particolare grappolo di molecole di zucchero si attaccava alla proteina, formando una cerniera. Le simulazioni al computer hanno suggerito che i cambiamenti nella struttura di questa cerniera avrebbero influenzato la sua capacità di piegarsi, e gli esperimenti di laboratorio sono andati oltre: hanno dimostrato che le mutazioni nella parte proteica della cerniera rendevano la punta molto meno infettiva. Ciò suggerisce che prendere di mira la cerniera potrebbe fornire una strada per combattere il virus.

“Le persone che lavorano sui coronavirus più pericolosi, tra cui MERS-CoV e SARS-CoV-2, hanno identificato una regione equivalente a questa e hanno scoperto anticorpi mirati a questa regione”, ha detto Jin. “Questo ci dice che si tratta di una regione critica altamente conservata, il che significa che è rimasta più o meno la stessa nel corso dell’evoluzione. Quindi forse prendendo di mira questa regione in tutti i coronavirus, possiamo trovare una terapia o un vaccino universale”.

Questo lavoro è stato supportato dal National Virtual Biotechnology Laboratory, un gruppo di laboratori nazionali del Dipartimento dell’Energia che si è concentrato sulla risposta alla pandemia di COVID-19 con i finanziamenti forniti dal Coronavirus CARES Act; la Fondazione Nazionale della Scienza; e gli Istituti Nazionali di Sanità.