В начале пандемии большинство исследований, включая наши, были сосредоточены на разработке препаратов, которые могли бы блокировать шиповидный белок вируса. Это был логичный первый шаг, но, как мы видели, вирус — это движущаяся мишень. Он быстро эволюционировал, и новые варианты приобретали устойчивость из-за изменений в поверхностном шиповидном гликопротеине (S-белке).
Это высветило критическую проблему: будут ли наши методы лечения по-прежнему эффективны, пока вирус продолжает меняться? Вместо того чтобы постоянно преследовать новые варианты, мы начали задаваться вопросом: что, если бы мы сосредоточились на том, как организм человека реагирует на вирус, а не только на самом вирусе?
Эта простая, но мощная идея стала фокусом нашего исследования, которое мы с гордостью опубликовали в журнале Physical Chemistry Chemical Physics.
Вместо того чтобы напрямую бороться с вирусом, мы решили изучить новую идею: нацеливание на человеческий белок, который опосредует проникновение вируса в клетки нашего организма. Это привело нас к ангиотензинпревращающему ферменту 2 (ACE2) — ключевому «входному» белку, который вирус захватывает, чтобы начать своё вторжение. ACE2 присутствует на поверхности многих клеток человека, особенно в лёгких, и играет решающую роль в регуляции кровяного давления и здоровья сердца. К сожалению, SARS-CoV-2 захватывает этот белок в качестве точки входа в клетки.
Это создаёт серьёзную проблему: полное блокирование ACE2 — не лучший вариант, поскольку он слишком важен для нормальных функций организма. Поэтому наша цель была такой: можем ли мы усложнить вирусу использование ACE2, не нарушая его жизненно важной роли в нашем организме?
Чтобы ответить на этот вопрос, мы использовали комбинацию мощных методов вычислительной химии. Наше исследование отошло от традиционных подходов, не пытаясь блокировать вирус-связывающий домен ACE2. Вместо этого мы использовали вычислительный аллостерический подход для обнаружения скрытого «аллостерического» сайта белка. Этот аллостерический сайт действует как своего рода молекулярный переключатель, который при срабатывании может модулировать поведение всего белка.
Используя моделирование молекулярной динамики (MD), мы могли визуализировать и изучать взаимодействие ACE2 и вируса на атомном уровне. Наши симуляции показали, что небольшой молекулярный модулятор может связываться с этим недавно обнаруженным аллостерическим карманом, который расположен вдали от основного сайта взаимодействия с вирусом.
Свободная энергия связывания, рассчитанная с помощью метода MM/PBSA, подтвердила, что наши ведущие соединения благоприятно связываются с этим аллостерическим карманом, демонстрируя термодинамическую осуществимость нашего подхода.
Когда подходящая небольшая молекула связывается с этим аллостерическим карманом hACE2, это вызывает конформационное изменение в ACE2. Это изменение в первую очередь влияет на глобальный аллостеризм, который имеет решающее значение для взаимодействия белка с вирусным шиповидным гликопротеином. Этот конформационный сдвиг ослабляет связь между ACE2 и вирусным шиповидным белком, затрудняя вирусу возможность закрепиться и заразить клетку.
Реальная инновация, однако, заключается в том, что это конформационное изменение не ингибирует нормальную функцию ACE2; на самом деле наши симуляции и расчёты подтвердили, что оно усиливает её. Аллостерическая модуляция увеличивает каталитическую активность ACE2 с его естественным субстратом — ангиотензином II (AngII), ключевым компонентом регуляции кровяного давления.
Таким образом, вместо блокирования ACE2 мы мягко «подталкиваем» его таким образом, чтобы одновременно помочь нам и помешать вирусу. Этот механизм аналогичен настройке замка: оригинальный ключ (ангиотензин II) подходит ещё лучше, но копия (вирус) больше не работает.
Наша работа продемонстрировала, что эта стратегия аллостерической модуляции может быть эффективным способом ингибирования проникновения вируса. Преимущество этого подхода, ориентированного на хозяина, очевидно. Большинство противовирусных стратегий направлены на блокировку самого вируса, но такие вирусы, как SARS-CoV-2, быстро мутируют; препарат, который работает сегодня, может оказаться неэффективным завтра.
Нацеливание на человеческие белки, от которых зависят вирусы, значительно усложняет вирусам возможность избежать лечения. Это делает наш подход потенциально более устойчивым к будущим вариантам, вызывающим озабоченность. Понимая и стратегически манипулируя нашим собственным клеточным механизмом, мы можем создать более надёжную защиту от вирусных угроз.
Доктор Сародж Кумар Панда — научный сотрудник кафедры химии и биохимии Университета Техаса в Арлингтоне, США. Его исследования сосредоточены на разработке терапевтических средств, нацеленных на различные патогенные мишени, и изучении механизмов ферментативных реакций с использованием передовых вычислительных методов. Доктор Панда получил докторскую степень в Департаменте химических наук Индийского института образования и исследований (IISER) в Берхампуре под руководством доктора Малай Кумар Рана.