Forscher schaffen Durchbruch im Kampf gegen Covid-19

22.08.2024 13:39

Ein Team unter der Leitung von Jose Onuchic an der Rice University und Paul Whitford von der Northeastern University, beide Forscher des National Science Foundation Physics Frontiers Center am Center for Theoretical Biological Physics (CTBP) bei Rice, hat eine Entdeckung im Kampf gegen das schwere akute Atemwegssyndrom Coronavirus-2 (SARS-CoV-2), das Virus, das für Covid-19 verantwortlich ist, entdeckt.

Das Team hat in Zusammenarbeit mit experimentellem Aufwand unter der Leitung der Yale-Universitätsforscher Walter Mothes und Wenwei Li neue Erkenntnisse darüber aufgedeckt, wie das Virus menschliche Zellen infiziert und wie es neutralisiert werden kann. Ihre Ergebnisse wurden in der Zeitschrift Science on Aug. 15.

SARS-CoV-2 verwendet sein Spike-Protein, um sich an das Angiotensin-Converting-Enzym 2 an menschliche Zellen zu heften, was einen Prozess in die Zelle einleite. Das Spike-Protein hat zwei Hauptteile: die S1-Domäne, die stark zwischen verschiedenen Stämmen des Virus variiert, und die S2-Domäne, die bei verschiedenen Coronaviren stark konserviert wird. Diese Ähnlichkeit macht die S2-Domäne zu einem vielversprechenden Ziel für Impfstoffe und Therapien, die gegen viele Virusstämme wirken könnten.

Durch die Kombination von Simulationen und theoretischen Vorhersagen mit strukturellen Informationen ihrer experimentellen Mitarbeiter, einschließlich Anfangs- und Endkonfigurationen sowie Zwischenzuständen während der Virusinvasion, erhalten die Forscher ein detailliertes Bild des Infektionsprozesses auf atomarer Ebene.

„Diese Zwischenzustände des Spike-Proteins zu verstehen, schafft neue Möglichkeiten zur Behandlung und Prävention“, sagten Onuchic, Harry C. und Olga K. Wiess Lehrstuhl für Physik, Professor für Physik und Astronomie, Chemie und Biowissenschaften und Co-Direktor von CTBP. „Unsere Arbeit zeigt, wie wichtig es ist, theoretische und experimentelle Ansätze zu kombinieren, um komplexe Probleme wie Virusinfektionen anzugehen.“

Mit einer fortschrittlichen Bildgebungstechnik namens Cryo-Elektronentomographie haben die experimentellen Forscher in Yale detaillierte Momentaufnahmen des Spike-Proteins aufgenommen, wie es sich während des Fusionsprozesses verändert.

Sie entdeckten Antikörper, die auf einen bestimmten Teil der S2-Domäne abzielten, den Stamm-Heelix genannt, der an das Spike-Protein binden und verhindern kann, dass es sich in eine Form verwandelt, die für die Fusion notwendig ist. Dies verhindert, dass das Virus in menschliche Zellen gelangt.

„Unsere Studie liefert ein detailliertes Verständnis davon, wie das Spike-Protein die Form während der Infektion verändert und wie Antikörper diesen Prozess blockieren können“, sagte Onuchic. „Diese molekulare Einsicht eröffnet neue Möglichkeiten zur Entwicklung von Impfstoffen und Therapien, die auf eine Vielzahl von Coronavirus-Stämmen abzielen.“

Um ihre Ergebnisse zu erzielen, nutzten die Forscher eine Kombination aus theoretischer Modellierung und experimentellen Daten. Durch die Kombination von Simulationen des Spike-Proteins mit experimentellen Bildern erfassten sie Zwischenzustände des zuvor ungesehenen Proteins. Dieser integrierte Ansatz ermöglichte es ihnen, den Infektionsprozess auf atomarer Ebene zu verstehen.

„Die Synergie zwischen theoretischen und experimentellen Methoden war entscheidend für unseren Erfolg“, sagte Whitford, Professor am Department of Physics in Northeastern. „Unsere Ergebnisse stoßen auf neue therapeutische Ziele und Strategien zur Impfstoffentwicklung, die gegen die meisten Varianten des Virus wirksam sein könnten.“

Die Entdeckung des Teams ist in den laufenden Bemühungen zur Bekämpfung von Covid-19 und der Vorbereitung auf zukünftige Ausbrüche verwandter Viren von Bedeutung. Indem sie die konservierte S2-Domäne ins Visier nehmen, können Wissenschaftler Impfstoffe und Therapien entwickeln, die auch mit Muationen wirksam bleiben.

„Diese Forschung ist ein Schritt nach vorn im Kampf gegen Covid-19 und andere Coronaviren, die in der Zukunft entstehen könnten“, sagte Saul Gonzalez, Direktor der USA. Abteilung Physik der National Science Foundation. „Die grundlegenden physikalischen Abläufe innerhalb komplizierter biologischer Mechanismen zu verstehen, ist unerlässlich, um effektivere und universellere Behandlungen zu entwickeln, die unsere Gesundheit schützen und Leben retten können.“

Diese Arbeit wurde von der National Science Foundation, den National Institutes of Health, den Canadian Institutes of Health Research, den Canada Research Chairs und der Welch Foundation unterstützt.

Weitere Forscher sind Michael Grunst und Zhuan Qin am Department of Microbial Pathogenesis und Shenping Wu am Department of Pharmacology in Yale; Esteban Dodero-Rojas am CTPB; Shilei Ding, Jérémie Prévost und Andrés Finzi am Centre de Recherche du CHUM; Yaozong Chen und Marzena Pazgier in der Abteilung für Infektionskrankheiten. Edward Hebert School of Medicine an der Uniformed Services University of the Health Sciences; und Yanping Hu und Xuping Xie in der Abteilung für Biochemie und Molekularbiologie an der University of Texas Medical Branch in Galveston.