Saúde

Chegando ao cerne da replicação do HIV
A pesquisa de biofísica computacional, publicada em dezembro de 2020 na PLOS Biology , desafia a visão predominante do capsídeo viral, há muito considerado apenas um envelope estático que abriga o material genético do vírus HIV-1.
Por Jorge Salazar - 31/03/2021


O vírus HIV-1 desenvolveu uma maneira de importar em seu núcleo os nucleotídeos de que precisa para alimentar a síntese de DNA, de acordo com uma pesquisa liderada por Juan R. Perilla, da Universidade de Delaware. Usando os supercomputadores TACC Stampede2 e PSC Bridges, a equipe de Perilla mostrou pela primeira vez que um vírus executa uma atividade como o recrutamento de pequenas moléculas de um ambiente celular para seu núcleo para conduzir um processo benéfico para seu ciclo de vida. Crédito: Xu, et al

Os vírus se escondem na área cinzenta entre os vivos e os não vivos, de acordo com os cientistas. Como seres vivos, eles se reproduzem, mas não o fazem por conta própria. O vírus HIV-1, como todos os vírus, precisa sequestrar uma célula hospedeira por meio da infecção para fazer cópias de si mesmo.

Simulações de supercomputadores apoiadas pelo Extreme Science and Engineering Discovery Environment (XSEDE), financiado pela National Science Foundation, ajudaram a descobrir o mecanismo de como o vírus HIV-1 importa em seu núcleo os nucleotídeos de que precisa para alimentar a síntese de DNA, uma etapa fundamental em sua replicação . É o primeiro exemplo encontrado onde um vírus realiza uma atividade como o recrutamento de pequenas moléculas de um ambiente celular para o seu núcleo para conduzir um processo benéfico para o seu ciclo de vida.

A pesquisa de biofísica computacional, publicada em dezembro de 2020 na PLOS Biology , desafia a visão predominante do capsídeo viral, há muito considerado apenas um envelope estático que abriga o material genético do vírus HIV-1.

"Até onde sei, é o primeiro trabalho que mostra de forma abrangente um papel ativo dos capsídeos na regulação de um ciclo de vida muito específico do vírus, não apenas computacionalmente, mas também em ensaios in vitro e, finalmente, nas células", disse o estudo coautor Juan R. Perilla, químico biofísico da Universidade de Delaware.

A equipe de pesquisa colaborou com vários grupos de pesquisa, incluindo grupos experimentais na Escola de Medicina da Universidade de Pittsburgh e na Escola de Medicina de Harvard. Esses grupos validaram as previsões de simulações de dinâmica molecular (MD) usando microscopia de força atômica e microscopia eletrônica de transmissão.

"De nossa parte, usamos simulações de DM", disse o autor principal Chaoyi Xu, um estudante de pós-graduação no Laboratório Perilla. "Nós estudamos como o capsídeo do HIV permite a permeabilidade a moléculas pequenas, incluindo nucleotídeos, IP6 e outros." IP6 é um metabólito que ajuda a estabilizar o capsídeo do HIV-1.

É raro um artigo computacional estar em uma revista de biologia, explicou Perilla. "A razão pela qual isso é possível é que estamos descobrindo uma nova biologia", disse ele. A biologia está relacionada à estabilidade do vírus em importar pequenas moléculas de que necessita para certas vias metabólicas. “No contexto do HIV, é o combustível para a transcrição reversa que ocorre dentro do capsídeo”.

A enzima transcriptase reversa gera DNA complementar, metade do DNA que se emparelha na célula para completar o DNA viral invasor completo. O DNA viral entra no núcleo da célula hospedeira, integra-se ao DNA da célula hospedeira e usa a maquinaria da célula para produzir novo DNA viral.
 
"Nesta série de experimentos e previsões computacionais, o que mostramos é que o próprio capsídeo desempenha um papel ativo no ciclo infeccioso", disse Perilla. "Ele regula a transcrição reversa - como o DNA viral se sintetiza dentro do capsídeo." Ele explicou que esses processos são o resultado de milhões de anos de coevolução entre o vírus e a célula-alvo.

Ligação cooperativa de pequenas moléculas à cavidade
do hexâmero central. Paisagens bidimensionais de energia livre
de translocação de trifosfato de desoxiadenosina através da cavidade,
na presença de um IP adicional6. Caminhos que conectam o interior
e o exterior mostrados como uma linha tracejada, com
estruturas representativas correspondentes aos
eventos de translocação. Crédito: Xu, et al.

“Sem supercomputadores, a parte computacional do estudo teria sido impossível”, acrescentou Xu. O desafio era que o problema biológico da translocação de nucleotídeos exigiria uma escala de tempo mais longa do que seria possível amostrar usando simulações de dinâmica molecular atomística.

Em vez disso, os pesquisadores usaram uma técnica chamada amostragem guarda-chuva juntamente com troca de réplicas Hamiltoniana. "A vantagem de usar essa técnica é que podemos separar todo o processo de translocação em pequenas janelas", disse Xu. Em cada pequena janela, eles rodaram pequenas simulações individuais de MD em paralelo em supercomputadores.

"Usando os recursos fornecidos pelo XSEDE, fomos capazes de executar e não apenas testar os processos de translocação, mas também os efeitos da ligação de pequenas moléculas no processo de translocação, comparando as diferenças de energia livre calculadas a partir de nossos resultados."

O XSEDE concedeu a Perilla e seu laboratório acesso a dois sistemas de supercomputação usados ​​na pesquisa do capsídeo do HIV: Stampede2 no Texas Advanced Computing Center (TACC); e Bridges no Pittsburgh Supercomputing Center (PSC).

"O TACC e o PSC têm sido extremamente generosos conosco e nos apoiam muito", disse Perilla.

"Quando transferi de Stampede1 para Stampede2, o hardware foi uma grande melhoria. Na época, estávamos fascinados com os nós do Intel Xeon Skylake. Eles eram fantásticos", disse Perilla.

"No Bridges, aproveitamos os nós de memória alta. Eles têm essas máquinas de memória massiva com 3 e 12 terabytes de memória inline. Eles são realmente bons para análise. Bridges fornece um serviço único para a comunidade", continuou ele.

Em trabalhos relacionados, o Perilla Lab também empregou através do XSEDE o sistema PSC Bridges-AI, e eles fizeram parte do programa de ciência do usuário inicial para a plataforma Bridges-2 do PSC.

“Nós gostamos desse período inicial de ciência no Bridges-2”, disse Perilla. "Os especialistas da PSC querem que martelemos a máquina o máximo que pudermos e estamos felizes em fazer isso. Temos muito trabalho a ser feito."

Mecanismo molecular para translocação de nucleotídeos através do hexâmero CA
do HIV-1. a) O nucleotídeo se difunde entre o exterior do capsídeo e a cavidade central.
(b) O nucleotídeo se liga a Arg18 e Lys25. (c) O segundo nucleotídeo entra. (d) O grupo
fosfato do segundo nucleotídeo interage com Arg18. (e) O segundo nucleotídeo aumenta
as interações entre Lys25 e o primeiro nucleotídeo. (f) As flutuações térmicas facilitam
a dissociação de dNTP. (g) O segundo nucleotídeo ocupa a posição de ligação canônica
(b) para um único nucleotídeo na cavidade. Crédito: Xu, et al.

Perilla relatou que o programa XSEDE Campus Champion também ajudou em sua missão de treinar a próxima geração de cientistas da computação. O programa conta com mais de 600 professores e funcionários em mais de 300 universidades para ajudar alunos, professores e pós-doutorandos a aproveitar ao máximo os recursos de infraestrutura cibernética do XSEDE.

"Recebemos uma ajuda imensa de nossa campeã do campus XSEDE, Anita Schwartz." Perilla disse. “Ela nos ajudou em tudo que está relacionado ao XSEDE. Nós também aproveitamos os programas de treinamento. Os membros mais jovens do nosso laboratório aproveitaram as oportunidades de treinamento oferecidas pelo XSEDE”.

Xu se lembra de considerá-los úteis para aprender como começar a usar supercomputadores XSEDE e também para aprender o Utilitário Simples Linux para Gerenciamento de Recursos (SLURM), que é o gerenciamento de tarefas de projeto usado para supercomputadores.

"Ao fazer esses cursos, me familiarizei com o uso desses supercomputadores e também para usá-los para resolver nossas questões de pesquisa", disse Xu.

Além do mais, a Universidade de Delaware lançou em dezembro de 2020 o supercomputador Darwin, um novo recurso alocado pelo XSEDE.

“Os alunos do grupo tiveram a oportunidade de treinar nessas máquinas fantásticas fornecidas pelo XSEDE, agora eles estão expandindo esse conhecimento para outros pesquisadores do campus e explicando os detalhes de como fazer o melhor uso do recurso ", disse Perilla. "E agora que temos um recurso XSEDE aqui no campus, ele está nos ajudando a criar uma comunidade local que é tão apaixonada por computação de alto desempenho quanto nós."

Perilla vê este último trabalho no capsídeo do HIV-1 como um novo alvo para o desenvolvimento terapêutico. Como não há cura para o HIV e o vírus continua adquirindo resistência aos medicamentos, há uma necessidade constante de otimizar os medicamentos antiretrovirais.

Perilla disse: "Estamos muito entusiasmados com os supercomputadores e com o que eles podem fazer, as questões científicas que nos permitem fazer. Queremos reproduzir a biologia. Esse é o objetivo final do que fazemos e do que os supercomputadores nos permitem fazer."

 

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