Nos últimos dois anos, os cientistas estudaram o vírus SARS-CoV-2 em grande detalhe, lançando as bases para o desenvolvimento de vacinas e tratamentos antivirais contra a COVID-19. Agora, pela primeira vez, cientistas do SLAC National Accelerator Laboratory do Departamento de Energia viram uma das interações mais críticas do vírus, o que pode ajudar os pesquisadores a desenvolver tratamentos mais precisos.

A equipe capturou o momento em que uma proteína do vírus, chamada Mpro, corta uma proteína protetora, conhecida como NEMO, em uma pessoa infectada. Sem NEMO, um sistema imunológico é mais lento para responder a cargas virais crescentes ou novas infecções. Ver como o Mpro ataca o NEMO no nível molecular pode inspirar novas abordagens terapêuticas.

Para ver como o Mpro corta o NEMO, os pesquisadores canalizaram poderosos raios-X do Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) do SLAC em amostras cristalizadas do complexo proteico. Os raios-X atingiram as amostras de proteína, revelando como o Mpro se parece quando desmonta a função primária do NEMO de ajudar nosso sistema imunológico a se comunicar.

“Vimos que a proteína do vírus corta o NEMO tão facilmente quanto uma tesoura afiada em papel fino”, disse o coautor sênior Soichi Wakatsuki, professor do SLAC e Stanford. “Imagine as coisas ruins que acontecem quando as proteínas boas em nossos corpos começam a ser cortadas em pedaços.”

As imagens do SSLL mostram a localização exata do corte do NEMO e fornecem a primeira estrutura do SARS-CoV-2 Mpro ligado a uma proteína humana.

“Se você pode bloquear os sites onde o Mpro se liga ao NEMO, você pode impedir que esse corte aconteça repetidamente”, disse o cientista e coautor do SSLL, Irimpan Mathews. “Parar o Mpro pode diminuir a velocidade com que o vírus toma conta de um corpo. Resolver a estrutura cristalina revelou os locais de ligação do Mpro e foi um dos primeiros passos para parar a proteína.”

A equipe de pesquisa do SLAC, do Oak Ridge National Laboratory do DOE e de outras instituições publicaram seus resultados hoje na Nature Communications .

NEMO faz parte de um sistema imunológico humano conhecido como via NF-?B. Você pode pensar no NEMO e no caminho NF-?B como se fossem um leitor de cartão e fiação do lado de fora de uma porta de entrada de prédio trancada. Se os fios do leitor de cartão forem cortados, a porta não abrirá, significando que uma pessoa (ou um ativador do sistema imunológico, como o NEMO) está presa do lado de fora, incapaz de fazer o que quer que seja.

A via NF-?B é uma parte crítica das respostas inflamatórias protetoras. Quando o NEMO é cortado, nossa resposta imune não pode ser ativada, resultando em vários efeitos prejudiciais ao nosso corpo. As infecções virais por COVID-19 podem piorar se o Mpro destruir o NEMO, ajudando o vírus a evitar nossas respostas imunes inatas. Além disso, um estudo separado realizado por pesquisadores de instituições na Alemanha descobriu que a perda de NEMO pela ação do Mpro pode levar a danos em certas células cerebrais, causando sintomas neurológicos observados em pacientes com COVID-19, disseram os pesquisadores.

Um medicamento atualmente aprovado para uso emergencial tem como alvo as proteínas Mpro, fornecendo a uma pessoa infectada um inibidor de Mpro. Este tipo de droga inibidora pode ser reforçada agora que a localização do corte do NEMO foi observada.

“As estruturas cristalinas de NEMO e Mpro nos fornecem os alvos para desenvolver tratamentos que impedem que esses cortes aconteçam”, disse o cientista e co-autor do SLAC, Mikhail Ali Hameedi. “Embora os medicamentos antivirais atuais possam atingir o Mpro, ver os detalhes moleculares de como o Mpro ataca o NEMO nos ajudará a desenvolver novos tratamentos no futuro, à medida que o Mpro sofre mutações.”

Encontrar maneiras de melhorar os inibidores antivirais é especialmente importante com o SARS-CoV-2. Entre os coronavírus – um grupo que inclui os vírus originais SARS-CoV e MERS-CoV – o Mpro do SARS-CoV-2 é o mais eficaz em anexar e cortar o NEMO. O Mpro do SARS-CoV-2 agarra o NEMO com mais força do que seus homólogos em outros coronavírus e pode estar cortando centenas de outras proteínas críticas em células hospedeiras humanas, como aquelas associadas a distúrbios sanguíneos, disseram os pesquisadores.

Para prever quão bem o Mpro se liga ao NEMO, os pesquisadores usaram o supercomputador Summit no Oak Ridge Leadership Computing Facility. Eles combinaram simulações de dinâmica molecular com cinco modelos de aprendizado de máquina de uma maneira inovadora e aplicaram química quântica, descobrindo que o Mpro provavelmente tem a maior afinidade de ligação no SARS-CoV-2 em comparação com os outros coronavírus primários. Em estudos anteriores, essas técnicas ajudaram os cientistas a reduzir uma lista de potenciais medicamentos inibidores antivirais.

“Com um conjunto de abordagens computacionais, conseguimos prever os pontos de ligação mais fortes entre NEMO e Mpro”, disse Erica Prates, co-autora e cientista do ORNL. “Achamos que uma alta afinidade de ligação nesses pontos quentes ajuda a explicar a alta aptidão do vírus em humanos”.

No futuro, a indústria biomédica pode usar o estudo para ajudar a construir melhores drogas inibidoras e entender como outras proteínas podem ser afetadas pelo Mpro, disse Wakatsuki.

“NEMO é apenas a ponta do iceberg”, disse ele. “Agora podemos estudar o que acontece quando muitas outras proteínas no corpo são clivadas pelo Mpro durante a infecção.”

Este trabalho foi apoiado pelo Escritório de Ciência do DOE, Escritório de Ciências Básicas de Energia e Escritório de Pesquisa Biológica e Ambiental, e pelos Institutos Nacionais de Saúde, Instituto Nacional de Ciências Médicas Gerais. O apoio adicional veio do National Virtual Biotechnology Laboratory, um grupo de laboratórios nacionais do DOE que está focado em responder à pandemia de COVID-19, com financiamento fornecido pelo Coronavirus CARES Act. SSL é uma instalação de usuário do Office of Science.

Citação: MA Hameedi et al., Nature Communications , 8 de setembro de 2022 ( 10.1038/s41467-022-32922-9)