Молекула нацелена на менее изученный в исследованиях COVID-19 фермент PLpro, который помогает размножаться коронавирусу и подавляет иммунный ответ организма-хозяина. Молекула, называемая ковалентным ингибитором, образует прочную химическую связь с белком-мишенью и, таким образом, повышает его эффективность в качестве противовирусного средства.

"Мы атакуем вирус с другого фронта, что является хорошей стратегией в исследованиях инфекционных заболеваний", - сказал Джерри Паркс, который руководил проектом и возглавляет группу молекулярной биофизики в ORNL.

Исследование, подробно описанное в Сообщения о природе, превратил ранее идентифицированный нековалентный ингибитор PLpro в ковалентный с более высокой эффективностью, сказал Паркс. Используя клетки млекопитающих, команда показала, что молекула-ингибитор ограничивает репликацию исходного штамма вируса SARS-CoV-2, а также вариантов Дельта и Омикрон.

Ученые ORNL использовали вычислительное моделирование, чтобы предсказать, будут ли их конструкции эффективно связываться с ферментом и нарушать его функцию. Затем они синтезировали молекулы и протестировали их в ORNL и партнерской компании Progenra, чтобы подтвердить свои прогнозы.

Белок был экспрессирован и очищен с использованием возможностей Центра структурной молекулярной биологии при расщепляющемся источнике нейтронов, или SNS, в ORNL. Яркие рентгеновские лучи, генерируемые источником света синхротронного излучения Стэнфорда, или SSRL, в Национальной ускорительной лаборатории SLAC, были использованы для составления карты молекулы и изучения процесса связывания на атомном уровне, подтвердив результаты моделирования. SNS и SSRL являются пользовательскими средствами Управления науки Министерства обороны США.

Партнеры из Научного центра здравоохранения Университета Теннесси и Университета штата Юта провели тестирование на клетках млекопитающих, инфицированных вирусом. Среди других участников проекта - медицинская школа Стэнфордского университета, Лос-Аламосская национальная лаборатория, Брукхейвенская национальная лаборатория, Чикагский университет, Аргоннская национальная лаборатория, Национальная лаборатория Лоуренса Беркли и Северо-Восточный университет.

"Мы взяли существующее соединение и сделали его более мощным, сконструировав так, чтобы оно образовывало новую химическую связь с PLpro", - сказал химик ORNL и ведущий автор Брайан Сандерс. "Сейчас наши усилия направлены на то, чтобы использовать то, что мы разработали, для создания более совершенных соединений, которые однажды можно было бы принимать в виде таблеток".

Другими учеными ORNL, которые сотрудничали в проекте, являются Рассел Дэвидсон, Кевин Вайс, Цю Чжан и Хью О'Нил, в то время как Одри Лаббе, Коннор Купер, Гвиндалин Филлипс, Стефани Галани и Марти Хед - бывшие сотрудники.

Подготовка к будущим вспышкам вируса

Исследователи уже работают над вторым поколением ковалентного ингибитора PLpro, который является более стабильным и лучше усваивается и распределяется организмом, стремясь улучшить его пригодность в качестве перорального лекарственного средства в рамках программы технологических инноваций ORNL.

Ученые отметили, что та же стратегия разработки, заключающаяся в идентификации молекулы, понимании того, как она связывается с мишенью, и модификации ее, чтобы сделать более эффективной, может быть применена для понимания будущих вирусов и борьбы с ними.

"Открытие противовирусных препаратов всегда будет необходимо, и это было одной из главных мотиваций для этого проекта", - сказал Паркс.

"Если появится новый коронавирус, наши модели и соединения могут быть использованы для продолжения усилий по созданию новых противовирусных препаратов", - сказал Сандерс. "Мы работаем над тем, чтобы установить флажки, которые хотел бы видеть потенциальный промышленный или фармацевтический партнер. Я нахожу это очень захватывающим".

Это исследование было поддержано Национальной лабораторией виртуальной биотехнологии, группой национальных лабораторий Министерства здравоохранения, специализирующихся на реагировании на пандемию COVID-19, при финансировании, предоставленном Законом о борьбе с коронавирусом; а также Управлением науки Министерства здравоохранения, Управлением фундаментальных энергетических наук и Управлением биологических и экологических исследований. Дополнительная поддержка была оказана Национальным институтом общих медицинских наук Национального института здравоохранения.