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Un modello atomistico ad alta prestazione in membrana virale della proteina Spike e del suo scudo glicanico fornisce informazioni utili per la progettazione di suoi inattivatori

Un consorzio di tre gruppi di ricerca italiani che lavorano presso l’Istituto di Tecnologie Biomediche del Consiglio Nazionale delle Ricerche (CNR-ITB), l’Università di Brescia (UniBs) e l’Università di Genova (UniGe), ha ottenuto tempo di calcolo presso l’EGI-ACE (attraverso il bando EGI-ACE call for use cases) per supportare studi investigativi sulla proteina spike SARS-CoV-2 completamente glicosilata. Questo studio computazionale potrebbe fornire dettagli atomistici importanti per progettare inattivatori della proteina spike con lo scopo di sviluppare nuovi agenti contro SARS-CoV-2.

La proteina Spike del SARS-CoV-2 è una glicoproteina che gioca un ruolo chiave nel riconoscimento dei recettori, nell’attacco virale e nell’ingresso del virus nelle cellule dell’ospite. È composta da due subunità: S1, contenente un dominio di legame al recettore (Receptor Binding Domain RBD) che riconosce e si lega al recettore dell’ospite, l’enzima di conversione dell’angiotensina 2 (ACE2), e S2, responsabile della fusione e dell’entrata del virus. Visto l’indispensabile ruolo di Spike per il virus, lo studio della proteina è di grande importanza per lo sviluppo di farmaci e dispositivi di protezione contro COVID-19. Le glicosilazioni coprono la maggior parte della superficie della proteina e l’identificazione delle regioni hotspot libere dai glicani è essenziale per progettare i suoi inattivatori. Diversi modelli e studi di dinamica molecolare sono stati eseguiti per indagare il comportamento dinamico della proteina spike e alcuni di essi hanno fornito anche informazioni generali e/o specifiche sui dettagli strutturali e dinamici dei glicani [1]. Il nostro consorzio ha già eseguito studi di dinamica molecolare per valutare le varianti della subunità S1 situate nel RBD e vicino all’inserzione 680 SPRRA R↓SV 687 che forma un motivo di scissione RxxR per gli enzimi furin-like [2]. Studi comparativi tra la proteina nativa e le sue varianti, hanno evidenziato alcune regioni di interesse per il riposizionamento di farmaci e per lo sviluppo di polimeri polianionici con attività virucida.

Scopo del Progetto

Per sviluppare composti in grado di inattivare la proteina spike, verrà valutata l’area occupata dai glicani sulla superficie della proteina identificando le regioni libere come potenziali siti di binding degli inattivatori [1,3]. Le informazioni raccolte in questo studio saranno utilizzate per il riposizionamento di farmaci con possibile attività antivirale e per la progettazione di polimeri anionici virucidi. La stabilità dei complessi spike-ligando più interessanti identificati sarà valutata con studi di dinamica molecolare e l’attività inibitoria sarà validata sperimentalmente mediante Risonanza Plasmonica di Superficie.

Il consorzio unisce le competenze di diverse aree (Bioinformatica, Biochimica e Chimica Farmaceutica). E’ composto da tre team di ricerca italiani: il primo fa parte del laboratorio di bioinformatica dell’Istituto di Tecnologie Biomediche del Consiglio Nazionale delle Ricerche (CNR-ITB) (https://www.itb.cnr.it/en/bioinformatics-milan/) i cui membri (Pasqualina D’Ursi, Andrea Manconi, Alessandro Orro), partecipando a diversi progetti nazionali ed europei, hanno maturato consolidate competenze nel campo della modellazione molecolare e della drug discovery, nonché nella realizzazione e manutenzione di infrastrutture bioinformatiche. Il secondo team fa parte dell’Unità di Analisi delle Interazioni Macromolecolari (MIAU), Dipartimento di Medicina Molecolare e Traslazionale dell’Università di Brescia, e i suoi membri (Marco Rusnati e Maria Milanesi) sono impegnati nello studio delle interazioni ligando/recettore e farmaco/target di rilevanza fisiologica, patologica e farmacologica mediante tecniche di Risonanza Plasmonica di Superficie e termoforesi su microscala. Il terzo team fa parte del Dipartimento di Farmacia dell’Università di Genova (https://www.difar.unige.it/) e i suoi membri (Paola Fossa e Matteo Uggeri) hanno una solida esperienza nel campo della drug discovery e del drug design, rivolta soprattutto all’applicazione di diverse strategie computazionali per la progettazione razionale di ligandi mirati alla proteina Cystic Fibrosis Transmembrane conductance Regulator (CFTR), ai Trace Amine Receptors(TAARs1), ai recettori serotoninergici (5HT1) e agli inibitori delle fosfodiesterasi dei nucleotidi ciclici (PDE). Questo progetto di ricerca consentirà la formazione di giovani ricercatori nell’ambito della drug discovery e delle simulazioni biocomputazionali avanzate. I risultati di questo caso di studio saranno condivisi con la comunità scientifica attraverso divulgazione scientifica.

Risorse Informatiche

Questa attività di ricerca è supportata dal progetto EGI-ACE (Advanced Computing for EOSC). EGI-ACE è un progetto coordinato dalla Fondazione EGI che mira a permettere ai ricercatori di tutte le discipline di collaborare nella ricerca che prevede una elevata gestione di dati e di calcolo, attraverso servizi gratuiti. Nell’ambito di questo progetto EGI supporterà risorse di calcolo, archiviazione dati, piattaforme di calcolo, servizi di gestione dei dati, formazione agli utenti.

Bibliografia

Articoli

  1. Strizzi S, Bernardo L, D’Ursi P, Urbinati C, Bianco A, Limanaqi F, Manconi A, Milanesi M, Macchi A, Di Silvestre D, Cavalleri A, Pareschi G, Rusnati M, Clerici M, Mauri P, Biasin M. An innovative strategy to investigate microbial protein modifications in a reliable fast and sensitive way: A therapy oriented proof of concept based on UV-C irradiation of SARS-CoV-2 spike protein. Pharmacol Res. 2023 Aug;194:106862. doi: 10.1016/j.phrs.2023.106862. Epub 2023 Jul 20. PMID: 37479104.
  2. Milanesi M, Uggeri M, Biasin M, Strizzi S, Bernardo L, DePalma A, Mauri P, Manconi A, Orro A, Urbinati C, Rusnati M, Fossa P and DUrsi P. An antiviral strategy against SARS-CoV2 spike protein based on reducing agents. Manuscript in preparations

Contributi in comunicazioni orali

  1. Inactivation mechanism of SARS-CoV2 by UV-C light exposure. Milanesi M, Biasin M, Bernardo L, DePalma A, Mauri P, Urbinati C, Rusnati M and DUrsi P. Bioexcel summer school on biomolecular simulations 2022. June 12-17, 2022, Science and Technology Park of Sardinia, Cagliari, Italy
  2. Effetto dell’irraggiamento UV-C sulla proteina Spike, D’Ursi P.  and  Bernardo L., UV-day, June 21, 2022, Palazzo Brera, Milano, Italy
  3. Radiation exploitment for molecular identikit of pathogens in spaceflight explorations (RAMSES): impiego delle radiazioni come metodo di screening di patogeni in ambiente spaziale. Strizzi S, Bernardo L, D’Ursi P, Urbinati C, Bianco A, Limanaqi F, Manconi A, Milanesi M, Macchi M, Di Silvestre D, Cavalleri A, Pareschi G, Rusnati M, Clerici M, Mauri PL, Biasin M. Simposio di “Biomedicina Spaziale per le Future Missioni di Esplorazione Umana dello Spazio: a Call to Action”, March 15-17, Rome

Poster

  1. An antiviral strategy against SARS-CoV2 spike protein based on reducing agents. Uggeri M, Milanesi M, Biasin M, Strizzi S, Bernardo L, De Palma A, Mauri P, Manconi A, Orro A, Urbinati C, Rusnati M, DUrsi P and Fossa P. XXVII National Meeting in Medicinal Chemistry. September 11-14, 202,2 Bari, Italy
  2. UV-C exposure suggests a SARS-CoV2 spike protein antiviral strategy based on reducing agents. Milanesi M, Biasin M, Strizzi S, Bernardo L, DePalma A, Mauri P, Manconi A, Uggeri M, Fossa P, Urbinati C Rusnati M and DUrsi P. 18th Annual Meeting of the Bioinformatics Italian Society (BITS 2022). June 27-29, 2022, Verona, Italy