Descubriendo Blancos Terapéuticos Novedosos para SARS-CoV-2 mediante Modelado Molecular

En nuestra publicación previa, examinamos cómo herramientas de modelado predictivo pueden generar estructuras a nivel atómico de proteínas virales y rellenar regiones experimentalmente no resueltas, como átomos de hidrógeno faltantes y bucles flexibles. Nos centramos en la estructura de microscopía crioelectrónica (cryo-EM) de la proteína de pico (S) del SARS-CoV-2 publicada en Science (DOI: 10.1126/science.abb2507).

Aquí, profundizamos en cómo modelos estructurales refinados —particularmente de la proteína S— pueden alimentar generación de hipótesis para terapéuticos de COVID-19.

La Unión de Fármacos Depende de la Dinámica de Proteínas

Las proteínas no son estáticas; sus movimientos son integrales a su función. Como señaló el físico Richard Feynman, "el comportamiento de sistemas vivos puede entenderse en términos de los temblores y contoneos de los átomos". La proteína S del SARS-CoV-2 ejemplifica esto: antes de la entrada celular, debe unir el receptor huésped enzima convertidora de angiotensina 2 (ACE2). El dominio de unión al receptor (RBD) media esta interacción (ver Figura 1A). El RBD oscila entre una conformación "arriba" (accesible a ACE2) y "abajo" (inaccesible a ACE2) (Figura 1B). Estudios sugieren que el estado abajo es más estable, implicando que moléculas pequeñas que bloqueen el RBD en la conformación abajo podrían bloquear la unión a ACE2 y detener la entrada viral.

El RBD Funciona como Bisagra

Un enlazador flexible conecta el RBD con el resto de la proteína S, permitiendo la transición bisagra entre estados abajo y arriba (Figura 1B). Aislamos el RBD con su enlazador y dominio adyacente (Figura 1C). La estructura del estado arriba (PDB 6VYB) carece de tres bucles críticos para interacción con ACE2; por tanto, construimos un modelo de homología usando tanto 6VYB como el complejo cristalino de RBD-ACE2 (PDB 6M17). Estos bucles, incluyendo uno de más de 20 residuos, son esenciales para la unión, y su modelado preciso nos permite asignar estados de protonación correctos para pH fisiológico.

Subsecuentes simulaciones de dinámica molecular (MD) pueden capturar el paisaje conformacional del RBD y revelar potenciales bolsillos de unión para moléculas pequeñas. Usando BIOVIA Discovery Studio, identificamos un bolsillo en la bisagra del enlazador (Figura 1C) que podría servir como blanco para compuestos diseñados para estabilizar la conformación abajo.

Camino a Seguir

Para validar el bolsillo de la bisagra, los investigadores pueden emplear análisis de modos normales (NMA) o simulaciones MD extendidas (~cientos de nanosegundos) para muestrear conformaciones diversas. Estos ensambles pueden alimentar cribado virtual de alto rendimiento, acoplando cada compuesto a través de múltiples estados proteicos. Este enfoque basado en ensambles ha demostrado aumentar tasas de acierto en descubrimiento de fármacos y refleja la realidad de que la unión de ligando es contingente a la dinámica proteica.

Más allá de moléculas pequeñas, el modelo refinado de proteína S es también una plantilla valiosa para diseñar anticuerpos monoclonales. La maduración de afinidad in-silico puede refinar la especificidad del anticuerpo hacia la interfaz de unión a ACE2.

BIOVIA Dassault Systèmes —aprovechando más de 30 años de investigación revisada por pares— ofrece la plataforma BIOVIA Discovery Studio, que soporta todo el pipeline de descubrimiento de fármacos desde identificación de blanco a optimización de candidato, incluyendo diseño de biológicos, simulaciones clásicas, diseño basado en fragmentos, cribado virtual y predicción ADME/toxicidad.

En línea con nuestra responsabilidad social corporativa, BIOVIA proporciona una licencia gratuita de seis meses a grupos de investigación académica calificados que realicen estudios de SARS-CoV-2. Investigadores interesados pueden solicitar la licencia y descargar el software. Esta oferta permanece disponible hasta el 30 de junio de 2020.