La recherche peut conduire à de meilleurs traitements et vaccins contre Ebola, COVID-19

Au milieu d’une pandémie mondiale de COVID-19, il est difficile d’apprécier à quel point les personnes en dehors de l’Afrique ont eu la chance d’éviter la maladie mortelle à virus Ebola. Il invalide ses victimes peu de temps après l’infection par des vomissements massifs ou de la diarrhée, entraînant la mort par perte de liquide chez environ 50 pour cent des personnes atteintes. Le virus Ebola ne se transmet que par les fluides corporels, marquant une différence clé par rapport au virus COVID-19 et à celui qui a contribué à contenir la propagation d’Ebola.

Les épidémies d’Ebola continuent de faire leur apparition en Afrique de l’Ouest, bien qu’un vaccin mis au point en décembre 2019 et des améliorations dans les soins et le confinement aient aidé à contrôler Ebola.

Les simulations de supercalculateurs par une équipe de l’Université du Delaware qui comprenait un étudiant de premier cycle soutenu par le programme XSEDE EMPOWER ajoutent au mélange et aident à briser les défenses du matériel génétique enroulé d’Ebola. Cette nouvelle recherche pourrait contribuer à des percées dans le traitement et à des vaccins améliorés contre Ebola et d’autres maladies virales mortelles telles que le COVID-19.

«Nos principales découvertes sont liées à la stabilité de la nucléocapside d’Ebola», a déclaré Juan R. Perilla, professeur adjoint au Département de chimie et biochimie de l’Université du Delaware. Perilla a co-écrit une étude publiée en octobre 2020 dans l’AIP Journal de chimie physique. Il s’est concentré sur la nucléocapside, une enveloppe protéique qui protège contre les défenses de l’organisme, le matériel génétique utilisé par Ebola pour se répliquer.

Ce que nous avons découvert, c’est que le virus Ebola a évolué pour réguler la stabilité de la nucléocapside en formant des interactions électrostatiques avec son ARN, son matériel génétique. Il y a une interaction entre l’ARN et la nucléocapside qui le maintient ensemble. « 

Juan R. Perilla, professeur adjoint, Département de chimie et biochimie, Université du Delaware

Comme les coronavirus, le virus Ebola dépend d’une nucléocapside en forme de bâtonnet et en forme d’hélice pour compléter son cycle de vie. En particulier, les protéines structurales appelées nucléoprotéines s’assemblent dans un arrangement hélicoïdal pour encapsuler le génome d’ARN viral simple brin (ARNss) qui forme la nucléocapside.

L’étude de Perilla et de son équipe scientifique a cherché les déterminants moléculaires de la stabilité de la nucléocapside, tels que la façon dont le matériel génétique de l’ARNsb est conditionné, le potentiel électrostatique du système et la disposition des résidus dans l’assemblage hélicoïdal. Ces connaissances sont essentielles pour développer de nouvelles thérapies contre Ebola. Pourtant, ces informations restent hors de portée, même par les meilleurs laboratoires expérimentaux du monde. Les simulations informatiques peuvent cependant combler cette lacune.

«Vous pouvez considérer le travail de simulation comme une extension théorique du travail expérimental», a déclaré le co-auteur de l’étude Tanya Nesterova, chercheuse de premier cycle au laboratoire Perilla. «Nous avons constaté que l’ARN est fortement chargé négativement et aide à stabiliser la nucléocapside grâce à une interaction électrostatique avec les nucléoprotéines principalement chargées positivement», dit-elle.

Nesterova a reçu un financement grâce à une bourse XSEDE Expert Mentoring Producing Opportunities for Work, Education, and Research (EMPOWER) en 2019, qui aide les étudiants de premier cycle à participer au travail réel de XSEDE.

«C’était un programme efficace», a-t-elle déclaré. «Nous avons utilisé des ressources informatiques telles que Bridges cet été. Nous avons également eu une communication régulière avec le coordinateur pour maintenir nos progrès sur la bonne voie.

L’équipe a développé une simulation de la dynamique moléculaire de la nucléocapside d’Ebola, un système qui contient 4,8 millions d’atomes. Ils ont utilisé la structure de microscopie cryoélectronique du virus Ebola publiée dans Nature en octobre 2018 pour leurs données dans la construction du modèle.

«Nous avons construit deux systèmes», a déclaré le co-auteur de l’étude Chaoyi Xu, doctorant au laboratoire Perilla. « Un système est la nucléocapside d’Ebola avec l’ARN. Et l’autre est juste la nucléocapside comme contrôle. »

«Après avoir construit le tube entier, nous avons placé chaque nucléocapside dans un environnement similaire à la cellule», a expliqué Xu. Ils ont essentiellement ajouté des ions chlorure de sodium, puis ajusté la concentration pour qu’elle corresponde à celle trouvée dans le cytoplasme. Ils ont également mis une boîte à eau à l’intérieur autour de la nucléocapside. «Et puis nous avons lancé une simulation très puissante», a ajouté Xu.

L’Extreme Science and Engineering Discovery Environment (XSEDE), financé par la NSF, a attribué à l’équipe des allocations de calcul intensif pour le système Stampede2 du Texas Advanced Computing Center et le système Bridges du Pittsburgh Supercomputing Center.

« Nous sommes très reconnaissants pour les ressources de supercalculateur fournies par XSEDE qui ont permis ce travail. XSEDE a également fourni une formation via des cours en ligne qui ont été utiles », a déclaré Xu.

«Sur Stampede2, nous avons accès à des simulations sur des centaines, voire des milliers de nœuds», a poursuivi Xu. «Cela nous permet d’exécuter des simulations de systèmes plus importants, par exemple la nucléocapside d’Ebola. Cette simulation est impossible à terminer localement. C’est très important», a-t-il déclaré.

«J’aime comment avec Bridges, lorsque vous exécutez une simulation, vous pouvez être à jour sur quand elle se termine et quand elle a commencé», a ajouté Nesterova. Elle a déclaré que cela était utile pour créer des scripts Slurm, qui aident à gérer et à planifier les tâches sur les clusters de calcul.

« Nous venons de commencer à utiliser Frontera pour le projet Ebola », a ajouté Xu. Frontera est le système phare de la NSF de niveau 1 au TACC, classé n ° 9 mondial par Top500. «Il est plus puissant car il possède la dernière architecture de processeur. Et c’est très rapide», a-t-il déclaré.

« Frontera fait partie de l’infrastructure TACC », a déclaré Perilla. «Nous savions quels outils de développement allaient être là, ainsi que le système de mise en file d’attente et d’autres subtilités de ces machines. Cela a beaucoup aidé. En termes d’architecture, nous connaissons Stampede2, bien que ce soit une machine différente. Notre expérience avec Stampede2 nous a permis d’agir rapidement pour commencer à utiliser Frontera », a-t-il déclaré.

L’équipe scientifique a simulé l’interaction des atomes dans la nucléocapside du virus Ebola et a mesuré leur évolution dans le temps, fournissant des informations utiles sur les interactions atomiques. L’une des choses qu’ils ont constatées, c’est que sans l’ARN, la nucléocapside du virus Ebola a conservé sa forme tubulaire. Mais l’empilement des monomères nucléoprotéiques est devenu désordonné et sa symétrie hélicoïdale a été perdue. Avec l’ARN, il a gardé son hélice. Leurs résultats ont montré que la liaison à l’ARN stabilisait l’hélice et préservait la structure de la nucléocapside du virus Ebola.

L’équipe a également découvert des interactions importantes entre les résidus nucléoprotéiques et l’ARNs ss, ainsi que des interactions entre deux nucléoprotéines.

« Il existe deux types d’interfaces entre les paires de nucléoprotéines qui forment l’agencement hélicoïdal. Nous avons déterminé laquelle de ces interfaces joue un rôle le plus important. Nous pouvons soit cibler cette interface pour déstabiliser l’agencement hélicoïdal, soit stabiliser l’agencement hélicoïdal dans une large mesure. de sorte que la nucléocapside du virus est incapable de se désassembler », a déclaré le co-auteur de l’étude Nidhi Katyal, chercheur postdoctoral au laboratoire de Perilla.

Le virus Ebola est un organisme résistant car il régule étroitement son assemblage macromoléculaire. Perilla a suggéré qu’au lieu d’essayer de concevoir des médicaments qui détruisent la nucléocapside, une bonne stratégie pourrait être de faire le contraire.

« Si vous le rendez trop stable, cela suffit pour tuer le virus », a-t-il déclaré. Empruntant une stratégie à son expérience de la recherche sur le VIH, il souhaite trouver des cibles pour les médicaments pour sur-stabiliser le virus Ebola et l’empêcher de libérer son matériel génétique, étape clé de sa réplication.

Perilla a suggéré une stratégie similaire pour d’autres agents pathogènes étroitement réglementés, tels que les coronavirus et les virus de l’hépatite B. « C’est un endroit idéal, pour ainsi dire. Nous savons ce qui confère la stabilité. D’autres équipes peuvent voir si c’est peut-être un bon site médicamenteux pour le rendre hypostable ou le rendre hyperstable », a déclaré Perilla.

Pour l’avenir, Perilla a indiqué que son laboratoire examinerait de plus près les spécificités de la séquence de l’ARNsb et si elle confère une stabilité au tube de nucléocapside du virus Ebola. Si c’est le cas, certaines régions pourraient être exposées et pourraient être transcrites en premier, comme ce qui se passe dans le noyau de la cellule. Perilla a déclaré que ce serait « inouï dans un virus » et un comportement extrêmement avancé en termes d’ARN régulant la transcription.

Perilla a déclaré: « Nous savons qu’il y aura plus d’agents pathogènes qui ne cesseront de venir, en particulier avec les coronavirus maintenant, et ils peuvent arrêter le monde. Il est bénéfique pour la société d’avoir la capacité d’étudier non seulement un virus, mais en utilisant ces techniques pour étudier un nouveau virus, quelque chose comme les coronavirus. De plus, la possibilité de former de nouveaux étudiants, comme Tanya, fournit aux contribuables leur argent en termes de formation de la prochaine génération, de transfert des connaissances d’autres virus et de lutte contre les problèmes actuels. «