Kontrolle von Corona-Infektionen mit Computern

Die Kontrolle von Coronavirus-Infektionen ist im Grunde das Problem mit Schloss und Schlüssel. Nur der richtige Schlüssel kann das Türschließfach öffnen oder verriegeln. Coronavirus mehrere Spike-Proteine ​​auf seiner Oberfläche, die wir als Schleusen betrachten können. Eine geeignete Chemikalie, die an das Spike-Protein binden kann, kann die rezeptorbindenden Proteine ​​auf den Zellen binden und das Virus inaktivieren, wodurch das Eindringen gestoppt wird, das eine Infektion auslösen würde.

Wir alle haben die Bilder des SARS-CoV-2-Virus gesehen, das das Coronavirus (Covid 19) verursacht. Forscher arbeiten an der Entwicklung monoklonaler Antikörpertherapien zur Bekämpfung des Virus. Antikörper gegen das Coronavirus sind solche Schlüssel, die fest an die Spike-Proteine ​​binden und verhindern, dass das Virus an die Zellen bindet. Mehrere Unternehmen entwickeln Impfstoffe, die spezifische Antikörper gegen das Virus produzieren können. Einige der Impfstoffe sind große und empfindliche Moleküle, die gekühlt werden müssen, und haben auch eine kurze Haltbarkeit, was es schwierig macht, sie für groß angelegte Versuche über längere Zeiträume zu verwenden. Anstelle einer Impfung kann man den infizierten Personen vorgenerierte (passive) Antikörper (REGENERON®) zuführen.

Forscher unter der Leitung von Dr. David Baker von der University of Washington machten sich daran, synthetische „Miniproteine“ zu entwickeln, die fest an das Spike-Protein des Coronavirus binden. Ihre Studie wurde teilweise vom National Institute of General Medical Sciences (NIGMS) und dem National Institute of Allergy and Infectious Diseases (NIAID) des NIH finanziert. Die Ergebnisse erschienen in Science News Am September 9, 2020.

Das Team verwendete zwei Strategien, um die antiviralen Miniproteine ​​herzustellen. Zunächst bauten sie einen Abschnitt des ACE2-Rezeptors in die kleinen Proteine ​​ein. Die Forscher verwendeten ein von ihnen entwickeltes Protein-Design-Tool namens Rosetta Blueprint Builder. Diese Technologie ermöglichte es ihnen, Proteine ​​nach Maß herzustellen und vorherzusagen, wie sie an den Rezeptor binden würden. Es ist ähnlich, als würde man zum „Schlosser“ (ACE2-Rezeptorprotein) gehen und einen Schlüssel bestellen, der das Schloss des Coronavirus (Spike-Protein) sperren würde.

Der zweite Ansatz bestand darin, Miniproteine ​​von Grund auf neu zu entwerfen, was eine größere Bandbreite an Möglichkeiten ermöglichte. Unter Verwendung einer großen Bibliothek von Miniproteinen identifizierten sie Designs, die möglicherweise innerhalb eines Schlüsselteils des Coronavirus-Spikes, der als Rezeptorbindungsdomäne (RBD) bezeichnet wird, binden könnten. Insgesamt produzierte das Team mehr als 100,000 Miniproteine.

Als nächstes testeten die Forscher, wie gut die Miniproteine ​​an die RBD binden. Die vielversprechendsten Kandidaten wurden dann weiteren Tests und Optimierungen unterzogen, um die Bindung zu verbessern. Mithilfe der Kryo-Elektronenmikroskopie konnte das Team detaillierte Bilder davon erstellen, wie zwei der Miniproteine ​​an das Spike-Protein gebunden sind. Die Bindung stimmte eng mit den Vorhersagen der Rechenmodelle überein.

Schließlich testeten die Forscher, ob drei der Miniproteine ​​das Coronavirus (SARS-CoV-2) neutralisieren könnten. Alle Miniproteine ​​schützten im Labor gezüchtete menschliche Zellen vor einer Infektion. Die Kandidaten LCB1 und LCB3 zeigten eine starke neutralisierende Fähigkeit. Diese gehörten zu den Entwürfen, die aus der Miniprotein-Bibliothek erstellt wurden. Tests deuteten darauf hin, dass diese Miniproteine ​​möglicherweise wirksamer sind als die bisher wirksamsten Antikörperbehandlungen.

„Obwohl noch umfangreiche klinische Tests erforderlich sind, glauben wir, dass die besten dieser computergenerierten Virostatika recht vielversprechend sind“, sagt Dr. Longxing Cao, der Erstautor der Studie. „Sie scheinen eine SARS-CoV-2-Infektion mindestens so gut zu blockieren wie monoklonale Antikörper, sind aber viel einfacher herzustellen und weitaus stabiler, wodurch möglicherweise die Notwendigkeit einer Kühlung entfällt.“

Insbesondere zeigt diese Studie das Potenzial von Computermodellen, um schnell auf zukünftige virale Bedrohungen zu reagieren. Mit der weiteren Entwicklung können Forscher möglicherweise innerhalb von Wochen nach Erhalt des Genoms eines neuen Virus neutralisierende Designs erstellen. Die Auswirkungen dieser Entwicklung gehen über die Infektionskontrolle hinaus und können zur Vorbeugung mehrerer Erkrankungen wie allergischer Reaktionen führen, bei denen die Bindung zweier Moleküle wirksam kontrolliert werden kann.

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