Identificata l’interazione virus-cellula che potrebbe spiegare l’alto tasso di infezione Covid-19

I ricercatori di bioingegneria della Lehigh University, della Seoul National University in Corea del Sud e dell’Università di Cambridge nel Regno Unito, hanno identificato un’interazione precedentemente sconosciuta tra i recettori nelle cellule umane e la proteina spike, o “S”, di SARS-CoV-2, il virus che causa il coronavirus Covid-19. Le nuove informazioni potrebbero aiutare nello sviluppo di nuove strategie per bloccare l’ingresso di SARS-CoV-2 nelle cellule umane.
I ricercatori X. Frank Zhang e Wonpil Im responsabili del team di ricerca, sapevano da studi recenti che l’interazione tra la proteina spike SARS-CoV-2 e i recettori dell’enzima di conversione dell’angiotensina 2 (ACE2) nelle cellule umane è più forte dell’interazione tra la proteina spike strutturalmente identica della SARS-CoV-1, il virus che ha causato l’epidemia di SARS 2002-2004, e gli stessi recettori.
X. Frank Zhang professore associato in Bioingegneria e Ingegneria Meccanica della Lehigh University, ha detto:
«Il nostro obiettivo era caratterizzare il virus SARS-CoV-2 e studiare le interazioni proteina-proteina durante la sua invasione di cellule umane per fornire maggiori informazioni sui meccanismi che rendono possibile questo primo passo di successo nel suo processo di invasione».
Lo studio è stato pubblicato su Biophysical Journal. Il team di X. Frank Zhang e Wonpil Im, utilizzando la spettroscopia di forza a singola molecola combinata e le simulazioni di dinamica molecolare è stato in grado di identificare un’interazione precedentemente sconosciuta tra i glicani ACE2 (gruppi di zucchero attaccati alla superficie delle proteine) e il picco di SARS-CoV-2. È questa interazione che sembra essere responsabile del rafforzamento dell’interazione virus-cellula. Ciò potrebbe in parte spiegare il più alto tasso di infezione di coronavirus Covid-19 rispetto al virus simile che nel periodo 2002-2004 ha causato l’epidemia di SARS.
Wonpil Im, professore di bioingegneria, informatica, chimica e scienze biologiche alla Lehigh University, ha detto:
«Siamo rimasti sorpresi di scoprire che l’interazione specifica tra i glicani ACE2 e la proteina spike SARS-CoV-2 è ciò che rende così difficile la separazione del virus dalle cellule». 
Il team di ricercatori per arrivare a questi risultati ha utilizzato l’innovativa tecnica di rilevamento della singola molecola di X. Frank Zhang, misurando la forza di distacco dell’interazione proteina spike-recettore ACE2. Utilizzando i loro modelli di dinamica molecolare di tutti gli atomi del sistema complesso disponibile nella piattaforma CHARMM-GUI (vedi più avanti) sviluppato da Wonpil Im, hanno quindi identificato le informazioni strutturali dettagliate in questa interazione.
X. Frank Zhang ha affermato:
«Dopo aver rimosso con cura tutti i glicani ACE2 e misurato la forza dell’interazione, abbiamo visto che la forza dell’interazione SARS-CoV-2 picco-ACE2 è scesa a livelli simili a SARS-CoV-1. È possibile che questa interazione scoperta di recente con i glicani ACE2 possa essere un fattore che contribuisce ai tassi più elevati di coronavirus Covid-19 rispetto al SARS-CoV-1 strutturalmente simile, che ha un’interazione più debole. La nostra speranza è che i ricercatori possano essere in grado di utilizzare queste informazioni per sviluppare nuove strategie per identificare, prevenire, trattare e vaccinare contro il coronavirus Covid-19».

È possibile accedere ai modelli sviluppati dal professore Wonpil Im tramite la piattaforma CHARMM-GUI
Il virus SARS coronavirus 2 (SARS-CoV-2) è la causa nota della malattia da coronavirus 2019 (COVID-19). La proteina “spike” o S facilita l’ingresso virale nelle cellule ospiti.
Il gruppo di ricercatori della Lehigh University, della Seoul National University in Corea del Sud e dell’Università di Cambridge nel Regno Unito hanno lavorato insieme per produrre i primi modelli open source di tutti gli atomi di una proteina S a lunghezza intera. I ricercatori affermano che questo è di particolare importanza perché la proteina S svolge un ruolo centrale nell’ingresso virale nelle cellule, rendendola un obiettivo principale per lo sviluppo di vaccini e farmaci antivirali.
Il video illustra come costruire il sistema di membrane dai loro modelli di proteine SARS-CoV-2 S (vedi video). Il programma di costruzione del modello è ad accesso aperto e può essere trovato in Home page di CHARMM-GUI facendo clic sul collegamento Archivio Covid-19, oppure facendo clic sul collegamento archivio nell’intestazione, quindi sul collegamento Proteine COVID-19 a sinistra della sidebar.
Wonpil Im, professore del Dipartimento di Bioingegneria di Lehigh e del Dipartimento di Scienze Biologiche del College of Arts and Sciences, ha sviluppato il programma CHARMM-GUI (GUI = interfaccia utente grafica) simula sistemi biomolecolari complessi in modo semplice, preciso e rapido. Lo descrive come un “microscopio computazionale” che consente agli scienziati di comprendere le interazioni a livello molecolare che non possono essere osservate in altro modo. Ulteriori informazioni su CHARMM-GUI sono disponibili in questo video.
Wonpil Im ha aggiunto:
«I nostri modelli sono i primi di proteina spike (S) SARS-CoV-2 a piena lunghezza completamente glicosilata che sono disponibili per altri scienziati. Ho avuto la fortuna di collaborare con il Dr. Chaok Seok della Seoul National University in Corea e il Dr. Tristan Croll dell’Università di Cambridge nel Regno Unito. Il nostro team ha trascorso giorni e notti per costruire questi modelli con molta attenzione dalle parti conosciute della struttura microscopia crioelettronica (Cryo-EM). La modellazione era molto impegnativa perché c’erano molte regioni in cui la modellazione semplice non riusciva a fornire modelli di alta qualità».
Gli scienziati possono utilizzare i modelli per condurre ricerche di simulazione innovative è per la prevenzione e il trattamento del coronavirus Covid-19.

Microscopia crioelettronica (Cryo-EM)
La microscopia crioelettronica (Cryo-EM) (leggi 2.5.2), permette di esaminare un campione a temperature criogeniche (generalmente inferiori a –160° C). La caratteristica del Cryo-EM è la capacità di congelare rapidamente il campione in modo che le molecole d’acqua nel campione si trasformino in cristalli di ghiaccio trasparenti. Il cristallo di ghiaccio del solvente trasforma le biomolecole (cioè la particella virale) in uno stato rigido in modo che possa essere acquisita un’immagine ad alta risoluzione. Numerose immagini sono catturate dal campione su una griglia che è mantenuta congelata. Tali immagini acquisite vengono elaborate digitalmente per ricostruire un’immagine ad alta risoluzione (Fig. 2.9).
La caratteristica eccezionale di Cryo-EM è che esamina il campione nel suo stato intatto senza trattamenti artificiali come fissaggio, disidratazione e colorazione, in altre parole, è più probabile che le immagini Cryo-EM rappresentino lo stato nativo delle strutture biologiche. L’analisi dell’immagine Cryo-EM, ancora più importante, è che produce anche la struttura interna del capside così come la struttura esterna (vedi Fig. 2.9 ).

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Pino Silvestri, blogger per diletto, fondatore, autore di Virtualblognews, presente su Facebook e Twitter.
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