Une étude pionnière, publiée sous forme de prépublication sur le bioRxiv* serveur, rapports sur l’interaction d’une nanoparticule d’oxyde de titane (NP) sur mesure avec la protéine non structurelle 1 (nsp1) du coronavirus 2 du syndrome respiratoire aigu sévère (SARS-CoV-2) sur toute sa longueur. Cela devrait être utile pour développer de nouveaux outils thérapeutiques contre les coronavirus qui agissent en ciblant leurs protéines. Cela pourrait également aider à cartographier la structure des protéines activées.
Sommaire
Contexte
Le SARS-CoV-2 est un bêtacoronavirus avec un génome d’acide ribonucléique (ARN) simple brin de 30 kB de longueur. Cela génère deux grandes polyprotéines qui sont clivées pour donner des protéines non structurelles, nommées nsp1 à nsp16, via les protéases codées à l’intérieur.
Les protéines structurelles sont essentielles à la réplication virale, dans le cadre du complexe réplication-transcription, ainsi qu’à la création de l’environnement intracellulaire nécessaire à une réplication efficace. Parmi eux, nsp1 est impliqué dans la pathogenèse virale.
Nsp1 inhibe la synthèse des protéines de l’hôte et provoque la décomposition des ARN messagers cellulaires, favorisant ainsi l’évasion immunitaire virale. Son rôle dans la réplication virale est incontestable, bien que le mécanisme ne soit pas clair.
Ces caractéristiques en ont fait une cible prometteuse pour les thérapies anti-SARS-CoV-2. Structurellement, c’est une petite protéine avec une hélice , des feuillets , des tours et un domaine désordonné court et un domaine long.
Nanoparticules d’oxyde métallique
Les nanoparticules d’oxyde métallique (NP) sont composées de minéraux que l’on trouve couramment dans le sable, lessivés dans les eaux souterraines, les sources et les ruisseaux. Ils ont des surfaces chimiquement réactives, catalysant des réactions redox, en particulier lorsqu’elles sont exposées au soleil.
Ils réagissent également avec les biomolécules, et en particulier les protéines. Pour cette raison, les NP sont rarement considérées comme telles in vivo. Au contraire, les plus grandes NP sont assemblées avec des molécules de protéines sur leurs surfaces, tandis que les plus petites NP se lient spécifiquement à des fragments de protéines, en fonction de leur taille et de leur composition chimique.
En raison de ces interactions, certaines NP hydrolysent les protéines tandis que d’autres les coagulent. Au niveau moléculaire, les NP peuvent provoquer la formation de cristaux micro-colloïdes – appelés espèces poly oxométalate (POM). Ces NP sont en fait des espèces moléculaires distinctes, mais sont également des NP, d’une taille juste supérieure à 1 nm.
Les scientifiques ont utilisé la spectroscopie par résonance magnétique nucléaire (RMN) pour les aider à modifier la composition chimique et la structure de surface des nanoparticules d’oxyde de titane afin de comprendre leur affinité de liaison pour la protéine nsp1. Au fur et à mesure que cette étude avance, elle pourrait aider à développer un outil pour modifier sélectivement ces enzymes virales.
Comment s’est déroulée l’étude ?
Les chercheurs ont sélectionné deux types de TiO2 NP. Lorsqu’il est traité avec nsp1, dans un rapport équimolaire, il n’y a pas eu de changement dans le spectre du premier NP, tandis qu’avec le second, le signal a été perturbé par rapport aux résidus amide de la seconde moitié du fragment d’hélice α rigide du protéine.
Lorsque le rapport du premier NP à l’échantillon a été augmenté à 10:1, il n’y avait toujours pas de changement. Le doublement du deuxième rapport NP:nsp1 n’a pas non plus entraîné de changement significatif dans ces amides, montrant la liaison de ce NP à des sites spécifiques sur l’hélice de nsp1.
La différence entre les NP est probablement due au fait que la première a sa surface fortement liée aux molécules de lactate, ce qui a bloqué sa réactivité. Les ligands lactate forment des liaisons fortes à travers l’oxygène carboxylate via la chélation d’un atome de Ti. La distance Ti-O est d’environ 2 . Simultanément, le lactate forme une liaison Ti-O plus courte et plus forte via son atome d’oxygène alcoxyde, la distance de liaison étant de 1,86 Å.
Ceci n’a pas été observé avec le deuxième NP, qui a formé des complexes de surface de carboxylate de sphère interne avec le nsp1, impliquant les groupes aspartate de chaîne latérale et carboxylate d’acide glutamique.
Dans de telles liaisons, la structure complexe implique toujours deux atomes d’oxygène du groupe carboxylate liés à deux atomes de Ti adjacents, dans un double pont oxygène noté Ti(μ -O)2Ti. Cette liaison est à la fois forte et uniforme dans les distances TO, environ 2 chacune.
Cette liaison de sphère interne commune n’est donc possible qu’avec le deuxième NP. Pour cette raison, la première NP, dont la molécule TiO2 se termine par la fraction lactate, ne se lie pas à la nsp1.
Avec le second, l’augmentation de l’addition n’a pas causé de nouvelles perturbations de la structure chimique, probablement dues à l’existence d’interactions encore inconnues entre d’autres atomes.
Conclusions de la modélisation
À l’aide d’outils de modélisation, les chercheurs ont fait correspondre la géométrie des molécules TiO2 et nsp1. Malgré le changement dans les groupes amide du squelette observé ici, ils disent : « Il est très peu probable que des amides interagissent directement avec la nanoparticule sans changements structurels majeurs de nsp1. Ce sont probablement les chaînes latérales qui interagissent avec la nanoparticule d’oxyde de titane. «
En conséquence, ils ont conclu que le D48 et peut-être quelques autres liaisons hydrogène aux chaînes latérales de l’E41 (carboxylate), Q44 (amide carbonyle) et H45 (Nδ1) ont causé le TiO2 médié par l’attraction spécifique du TiO2 NP qui a conduit à la formation du complexe de sphère interne entre le seul fragment de carboxylate. Cette correspondance est également en accord avec les modifications de RMN.
Étant donné que la structure incurvée de l’anatase a été simulée par la monocouche d’anatase de forme sphérique rapportée récemment dans le H6[Ti42(μ3-O)60(OiPr)42(OH)12)] structure, cette dernière semble ressembler à la petite structure anatase NP. Les interactions hel-hélice-NP sont susceptibles d’être augmentées dans le cas du second NP en raison de la plus grande taille de cette particule, ce qui lui confère une surface plus plate.
Quelles sont les implications ?
Les scientifiques admettent que la raison pour laquelle la liaison spécifique au site est limitée à la seconde moitié de l’hélice est inconnue, bien qu’elle contienne 16 points d’interaction potentiels contenant du carboxylate. Ils suggèrent que cela peut être dû au fait qu’ils ont une distance appropriée avec d’autres molécules potentielles formant des liaisons hydrogène, permettant la liaison à la surface du TiO2 NP.
De telles études impliquent la biologie structurale et la chimie inorganique. Dans le cas présent, les scientifiques ont utilisé la spectroscopie RMN pour définir la nature des changements dans les chaînes latérales nsp1 lors de l’interaction avec le TiO2 NP. Des études d’amarrage seront nécessaires.
En montrant que la géométrie de ces deux types de molécules peut être spécifiquement adaptée, ils ouvrent la porte à la modification chimique des NP, permettant de les concevoir comme des inhibiteurs de la reconnaissance des protéines sur des sites spécifiques. Cela pourrait conduire à leur utilisation dans une variété d’applications, de la détection rapide d’antigènes viraux à la création de nouveaux médicaments antiviraux.
De plus, les résultats de cette étude suggèrent un mécanisme putatif d’activité antivirale pour les oxydes métalliques, comme cela a été rapporté par plusieurs chercheurs. Et enfin, les NP peuvent être utilisées pour tracer les structures changeantes des protéines actives, en les ajustant afin de détecter des modèles spécifiques selon les besoins.
*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, orienter la pratique clinique/le comportement lié à la santé, ou traités comme des informations établies.
