Capteur de nanostructure d’acide désoxyribonucléique trouvé pour détecter et inhiber rapidement le SRAS-CoV-2

Dans une récente étude publiée sur bioRxiv* serveur de préimpression, les chercheurs ont rendu compte d’un capteur basé sur la stratégie de nanostructure (DDN) d’acide désoxyribonucléique (ADN) à trois couches conçu par eux pour la détection et l’inhibition rapides et précises du syndrome respiratoire aigu sévère coronavirus 2 (SARS-CoV-2).

Le capteur comprenait un DDN en forme de filet et a donc été appelé filet d’ADN dans l’étude.

L’étendue existante des tests de coronavirus 2019 (COVID-19) comprend en grande partie des tests d’acide nucléique (NAT) et des tests basés sur les antigènes. Les NAT nécessitent une extraction, une transcription inverse et une amplification de l’acide ribonucléique (ARN), ainsi que des équipements coûteux et des procédures de laboratoire strictes. Les tests basés sur les antigènes ont une faible sensibilité. Par conséquent, des diagnostics COVID-19 améliorés sont nécessaires pour une détection rapide et précise du SRAS-CoV-2 avec un faible coût et une facilité d’utilisation.

Les auteurs de la présente étude ont précédemment conçu une approche « DNA Star » pour développer un biocapteur ciblant les clusters de protéines d’enveloppe (E) (ED3) situés sur la surface externe du virus de la dengue (DENV). Alors que le DENV a des antigènes de surface rigides, les coronavirus ont des racines mobiles et des tiges flexibles, ce qui complique l’appariement des modèles pour la détection virale. Ainsi, les auteurs ont modifié leur stratégie précédente.

À propos de l’étude

Dans la présente étude, les chercheurs ont développé et démontré l’applicabilité du capteur DNA Net dans le diagnostic des infections par le SRAS-CoV-2. Le capteur était basé sur la stratégie DDN et l’approche virale de capture et de lecture/inhibition (VCRi).

La microscopie électronique cryogénique (cryo-EM) a été utilisée pour élucider le cluster trimérique S du SARS-CoV-2. Une nanostructure d’ADN en forme de filet a été utilisée pour reconnaître et capturer des virions SARS-CoV-2 intacts avec une affinité élevée via des interactions multivalentes et un appariement de motifs spatiaux entre les aptamères ou apta, qui ciblaient le domaine de liaison au récepteur (RBD) du SARS- Protéine de pointe CoV-2 (S) de la souche de type sauvage (WT). Les aptamères et les protéines trimériques de S étaient présents sur le filet d’ADN et la surface externe de SARS-CoV-2, respectivement.

Les quatre sommets longs de la thymidine (T) du capteur incorporaient des aptamères qui ciblaient le WT S RBD pour former des grappes de S/tri-aptamères trimériques), qui correspondaient mécaniquement aux espaces présents entre les protomères S trimériques à la surface du SARS-CoV -2. La mobilité des protéines SARS-CoV-2 S sur la surface externe du virus a permis la formation dynamique de clusters S, produisant plusieurs sites d’attachements de haute affinité avec des protéines S densément emballées. Le motif de détection du capteur comprenait un amide de fluorescine (FAM) – aptamère, qui était désactivé par un ADN de verrouillage partiellement complémentaire. À l’aide d’un nano-commutateur de conception, les aptamères pourraient libérer des signaux fluorescents lors de la liaison du SRAS-CoV-2 qui étaient facilement lus à l’aide d’un fluorimètre portatif.

Des simulations de dynamique moléculaire (MD) et des analyses d’amarrage des aptamères ciblant le WT S RBD ont été effectuées pour valider la stratégie DDNA pour la détection du SRAS-CoV-2.

Résultats

jen l’analyse cryo-EM, les virions du SRAS-CoV-2 avaient un diamètre de 100 nm de large. L’espacement entre les sites de liaison des aptamères DNA Net sur les RBD WT S des grappes de trimères dans la conformation vers le bas/fermée était de 6 nm avec un espacement légèrement inférieur dans la conformation vers le haut/ouverte. La distance minimale entre les trimères S adjacents sans encombrement stérique s’est avérée être de 14 à 15 nm. Par conséquent, un échafaudage en forme de filet d’aptamères d’ADN a été choisi pour le capteur.

La nanostructure comprenait des espaces triangulaires assortis de motifs entre les aptamères ciblant le S-RBD WT et les grappes de tri-aptamères qui mesuraient respectivement 6 nm et 15 nm intra- et inter-trimère. De plus, le capteur de taille de filet 4×4 était le plus efficace [half-maximal inhibitory concentration (IC₅₀ ~11.8 nM)] avec un grand espacement des clusters inter-aptamères (ADN de 52 pb). L’espacement inter-vertices du DNA Net était de 18,4 nm (centre à centre).

Les interactions entre le SRAS-CoV-2 et les aptamères du capteur ont déclenché la libération rapide de plusieurs ADN de verrouillage et l’extinction des rapporteurs FAM même à de faibles concentrations virales. Cela indique que l’ADN sensoriel était très sensible. Dans les expériences, le complexe d’aptamères de capteur s’est fixé sur les virions du SRAS-CoV-2 et a bloqué la liaison S-ACE2 à la surface de la cellule hôte. Ceci indique la puissance élevée du capteur DNA Net pour l’inhibition du SRAS-CoV-2.

De plus, les ADN Net-aptamères ont entravé l’infection WT SARS-CoV-2 en culture cellulaire et l’aptamère monomère a été amélioré de 1×10³ plis. En outre, la conception du capteur pourrait également être personnalisée pour lutter contre d’autres virus potentiellement mortels tels que le virus de l’immunodéficience humaine (VIH) et la grippe, dont les surfaces possèdent des formes trimériques de glycoprotéines d’enveloppe virale de classe I similaires à celles du SRAS-CoV-2 S.

Les simulations MD ont montré qu’un apta S RBD-ciblant se liait à un protomère de protéine S en utilisant plusieurs modes de liaison avec des énergies de liaison comprises entre -10,3 et -23,9 kJ/mol tandis que le cluster tri-aptamère était lié au trimère S avec des énergies de liaison entre -68,2 et -72,5 kJ/mol. Dans la configuration du capteur avec l’énergie de liaison la plus élevée, la distance inter-S entre les régions terminales en interaction de deux protéines S d’aptamères adjacents était de 6,3 nm.

De plus, les extrémités d’aptamère qui étaient liées au filet d’ADN étaient espacées d’une distance de 5,6 nm. En augmentant cette distance à 9,9 nm, l’énergie de liaison entre les protéines S et les amas d’aptamères a diminué.

Sur la base de l’analyse des écarts quadratiques moyens (RMSD) des simulations MD, cet arrangement de liaison variait légèrement pour les protéines. Cela a indiqué que les interactions entre le SARS-CoV-2 S et les aptamères étaient robustes et stables.

Dans l’ensemble, les résultats de l’étude ont démontré l’utilité du capteur DNA Net pour des analyses simples (mix-and-read), rapides (<10 minutes), sensibles [equivalent to a polymerase chain reaction (PCR)], détection peu coûteuse et à température ambiante du SARS-CoV-2. De plus, le principe de DNA Net a non seulement amélioré les diagnostics, mais pourrait également être utilisé dans la thérapie anti-SARS-CoV-2.

*Avis important

bioRxiv publie des rapports scientifiques préliminaires qui ne sont pas évalués par des pairs et, par conséquent, ne doivent pas être considérés comme concluants, guider la pratique clinique/les comportements liés à la santé, ou traités comme des informations établies.