Cientistas do Laborata³rio Nacional Brookhaven do Departamento de Energia dos Estados Unidos (DOE) publicaram o primeiro modelo detalhado denívelata´mico da protea­na do "envelope" SARS-CoV-2 ligada a uma protea­na humana essencial para manter o revestimento dos pulmaµes. O modelo que mostra como as duas protea­nas interagem, recanãm-publicado na revista Nature Communications , ajuda a explicar como o va­rus pode causar danos extensos nos pulmaµes e escapar dos pulmaµes para infectar outros órgãos em pacientes COVID-19 especialmente vulnera¡veis. As descobertas podem acelerar a busca por medicamentos para bloquear os efeitos mais graves da doena§a.

"Ao obter detalhes denívelata´mico das interações de protea­nas , podemos explicar por que o dano ocorre e procurar inibidores que possam bloquear especificamente essas interações", disse o autor principal do estudo, Qun Liu, bia³logo estrutural do Laborata³rio Brookhaven. "Se pudermos encontrar inibidores, o va­rus não causara¡ tantos danos. Isso pode dar a s pessoas com saúde comprometida uma chance muito melhor de seus sistemas imunológicos combaterem o va­rus com sucesso."

Os cientistas descobriram os detalhes e desenvolveram o modelo molecular usando um dos novos microsca³pios crioeletra´nicos no Laborata³rio de Brookhaven Lab para Estrutura BioMolecular (LBMS), uma nova instalação de pesquisa construa­da com financiamento do Estado de Nova York adjacente a  Fonte de Luz Sa­ncrotron Nacional II de Brookhaven (NSLS -II).

"O LBMS foi inaugurado no vera£o passado antes do previsto por causa de sua importa¢ncia na batalha contra o COVID-19", disse Sean McSweeney, diretor do LBMS e coautor do jornal. "LBMS e NSLS-II oferecem técnicas de imagem de protea­nas complementares e ambos estãodesempenhando papanãis importantes na decifração dos detalhes das protea­nas envolvidas no COVID-19. Este éo primeiro artigo publicado com base nos resultados da nova instalação."

Liguo Wang, diretor de operações cienta­ficas da LBMS e outro coautor do artigo, explicou que "a microscopia crioeletra´nica (crio-EM) éparticularmente útil para estudar protea­nas de membrana e complexos de protea­na dina¢mica, que podem ser difa­ceis de cristalizar para cristalografia de protea­nas técnica comum para estudar estruturas de protea­nas. Com essa técnica, criamos um mapa 3-D a partir do qual podera­amos ver como os componentes individuais da protea­na se encaixam. "

"Sem o cryo-EM, não podera­amos ter obtido uma estrutura para capturar as interações dina¢micas entre essas protea­nas", disse Liu.

A protea­na do envelope SARS-CoV-2 (E), que éencontrada na membrana externa do va­rus ao lado da agora infame protea­na spike do coronava­rus, ajuda a montar novaspartículas virais dentro das células infectadas. Estudos publicados no ini­cio da pandemia COVID-19 mostraram que ele também desempenha um papel crucial no sequestro de protea­nas humanas para facilitar a liberação e transmissão do va­rus. Os cientistas levantam a hipa³tese de que isso ocorre ao se ligar a protea­nas de junção celular humana, afastando-as de sua tarefa usual de manter as junções entre as células pulmonares hermeticamente fechadas.

"Essa interação pode ser boa para o va­rus e muito ruim para humanos - especialmente pacientes idosos com COVID-19 e aqueles com condições médicas pré-existentes", disse Liu.

Quando as junções das células pulmonares são interrompidas, as células do sistema imunológico tentam consertar o dano, liberando pequenas protea­nas chamadas citocinas. Esta resposta imunola³gica pode piorar as coisas ao desencadear uma inflamação macia§a, causando a chamada "tempestade de citocinas" e a subsequente sa­ndrome de dificuldade respirata³ria aguda.

Além disso, como o dano enfraquece as conexões canãlula-canãlula, pode ser mais fa¡cil para os va­rus escaparem dos pulmaµes e viajarem pela corrente sanguínea para infectar outros órgãos, incluindo fa­gado, rins e vasos sangua­neos.

"Nesse cena¡rio, a maioria dos danos ocorreria em pacientes com mais va­rus e mais protea­nas E sendo produzidas", disse Liu. E isso pode se tornar um ciclo vicioso: mais va­rus produzindo mais protea­nas E e mais protea­nas de junção celular sendo retiradas, causando mais danos, mais transmissão e mais va­rus novamente. Além disso, qualquer dano existente, como cicatriz nas células pulmonares, provavelmente tornaria mais difa­cil para os pacientes com COVID se recuperarem do dano.

"a‰ por isso que quera­amos estudar essa interação - para entender os detalhes emnívelata´mico de como o E interage com uma dessas protea­nas humanas para aprender como interromper as interações e reduzir ou bloquear esses efeitos graves", disse Liu.

Os cientistas obtiveram detalhes denívelata´mico da interação entre E e uma protea­na de junção de canãlula pulmonar humana chamada PALS1, misturando as duas protea­nas, congelando a amostra rapidamente e, em seguida, estudando a amostra congelada com o crio-EM. Os microsca³pios eletra´nicos usam elanãtrons de alta energia para interagir com a amostra da mesma forma que os microsca³pios de luz comuns usam feixes de luz. Mas os elanãtrons permitem que os cientistas vejam as coisas em uma escala muito menor devido ao seu comprimento de onda extremamente curto (100.000 vezes menor que o da luz visível).

As primeiras imagens não pareciam muito mais do que manchas. Mas as técnicas de processamento de imagem permitiram que a equipe selecionassepartículas que eram complexos reais das duas protea­nas.

"Usamos a média bidimensional e comea§amos a ver algumas caracteri­sticas estruturais que são compartilhadas entre essas partículas Nossas imagens mostraram o complexo de diferentes orientações, mas em resolução bastante baixa", disse Liu. "Em seguida, usamos ferramentas computacionais e infraestrutura de computação na Iniciativa de Ciência Computacional de Brookhaven para realizar reconstruções tridimensionais. Isso nos da¡ um modelo 3-D - um mapa experimental da estrutura."

Com uma resolução geral de 3,65 Angstroms (o tamanho de apenas alguns a¡tomos), o mapa tinha informações suficientes sobre as caracteri­sticas únicas dos aminoa¡cidos individuais que compõem as duas protea­nas para que os cientistas ajustassem as estruturas conhecidas desses aminoa¡cidos em o mapa.

"Podemos ver como a cadeia de aminoa¡cidos que compaµe a protea­na PALS1 se dobra para formar três componentes estruturais, ou doma­nios, e como a cadeia muito menor de aminoa¡cidos que compaµe a protea­na E se encaixa em um bolso hidrofa³bico entre dois desses doma­nios ", disse Liu.

O modelo fornece os detalhes estruturais e uma compreensão das forças intermoleculares que permitem que as protea­nas E nas profundezas de uma canãlula infectada arrancem PALS1 de seu lugar no limite externo da canãlula.

"Agora podemos explicar como as interações puxam PALS1 da junção pulma£o-canãlula humana e contribuem para o dano", disse Liu.

"Esta estrutura fornece a base para nossos colegas de ciência computacional executarem estudos de docking e simulações de dina¢mica molecular para procurar drogas ou moléculas semelhantes a drogas que possam bloquear a interação", disse John Shanklin, chefe do Departamento de Biologia do Laborata³rio Brookhaven e co-autor do papel. "E se eles identificarem pistas promissoras, temos os recursos anala­ticos para examinar rapidamente esses medicamentos candidatos para identificar aqueles que podem ser essenciais para prevenir consequaªncias graves do COVID-19."

Compreender a dina¢mica dessa interação de protea­nas também ajudara¡ os cientistas a rastrear como va­rus como o SARS-CoV-2 evoluem.

"Quando a protea­na do va­rus puxa PALS1 para fora da junção celular, isso poderia ajudar o va­rus a se espalhar mais facilmente. Isso forneceria uma vantagem seletiva para o va­rus. Quaisquer caracteri­sticas que aumentem a sobrevivaªncia, disseminação ou liberação do va­rus provavelmente sera£o retido ", disse Liu.

Quanto mais tempo o va­rus continua a circular, maiores são as chances de surgirem novas vantagens evolutivas.

“Esta émais uma razãopela qual étão essencial para nosidentificarmos e implementarmos terapaªuticas promissoras”, disse Liu. “Além de prevenir as infecções mais graves, os medicamentos que tratam efetivamente o COVID-19 nos mantera£o a  frente dessas mutações”.