Los rayos X permiten a los investigadores trazar un mapa de la estructura tridimensional de las proteínas relevantes para las enfermedades a escala de moléculas y átomos. y la instalación de rayos X de fuente de luz avanzada (ALS) del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) ha sido retirada a la acción para apoyar la investigación relacionada con COVID-19, la enfermedad del coronavirus que ya ha infectado a unos 2 millones de personas en todo el mundo.

Un pequeño equipo de personal de ALS, que produce haces de rayos X y otros tipos de luz para respaldar una amplia variedad de experimentos para investigadores de todo el mundo, El 31 de marzo se lanzaron varios experimentos para otros científicos que controlaban el trabajo de forma remota.

En este momento, En ALS solo se permiten experimentos aprobados relacionados con COVID-19; la mayoría del personal y los experimentos en ALS y Berkeley Lab se han dejado de lado debido a órdenes de refugio en el lugar que tienen la intención de limitar la propagación del virus.

Un pequeño grupo de personal de ALS que maneja el acelerador y garantiza operaciones seguras ha apoyado el trabajo en el sitio desde que se reanudaron los experimentos.

Los experimentos de ALS especialmente aprobados, que fueron autorizados por la dirección de Berkeley Lab, hasta ahora han sido llevados a cabo por científicos individuales que trabajan en sitios experimentales separados. conocidas como líneas de luz, en la instalación de ALS para mantener el distanciamiento social. Adicionalmente, Los trabajadores en el lugar están tomando precauciones adicionales para la seguridad, como desinfectar el equipo con regularidad.

Ninguno de los trabajos involucra muestras vivas del virus SARS-CoV-2 que causa COVID-19. Las muestras incluyen proteínas virales cristalizadas que no pueden causar infección. Las muestras adicionales que se analizarán incluyen las proteínas de la célula huésped necesarias para la infección por el virus.

"Todos con los que he hablado están adoptando un enfoque de 'todo', "dijo Jay Nix, un participante en los nuevos experimentos que es director de línea de luz para el Consorcio de Biología Molecular, que soporta y opera una línea de luz en el ALS (Beamline 4.2.2) y es un laboratorio afiliado y socio.

"Cada idea está sobre la mesa, "Nix dijo, incluyendo exploraciones de la forma y función de las proteínas puntiagudas que sobresalen del virus COVID-19 en las imágenes coloreadas ahora ubicuas que se muestran en los sitios web y artículos de noticias relacionados con COVID-19.

Los estudios estructurales pueden conducir a medicamentos que se dirijan al virus y lo ataquen mientras dejan intactos otros sistemas vitales. por ejemplo, o que de otra manera puede mejorar las defensas del cuerpo contra el virus.

"Hay proteínas que forman la estructura del virus y una gran cantidad de otras, proteínas no estructurales que ayudan en el ciclo de infección del virus, "dijo Marc Allaire, un científico de líneas de luz en ALS que apoya varias líneas de luz operadas por el Centro de Biología Estructural de Berkeley. El centro recibe apoyo de los miembros participantes para este trabajo, incluso de un gran grupo de compañías farmacéuticas en los EE. UU. e internacionalmente.

El centro es parte de la división de Biofísica Molecular y Bioimagen Integrada (MBIB) del Laboratorio, que está conectado a todas las líneas de luz y al personal que participa en el lote inicial de experimentos aprobados relacionados con COVID-19.

Los primeros experimentos desde que se reinició ALS utilizaron tres líneas de luz ALS (líneas de luz 4.2.2, 5.0.1, y 5.0.2) que todos se especializan en cristalografía macromolecular, una técnica para aprender la estructura tridimensional de las proteínas, virus y otras muestras mediante la emisión de rayos X en sus formas cristalizadas.

La luz de los rayos X que inciden en los cristales produce patrones que las computadoras luego procesan en reconstrucciones tridimensionales de las muestras.

"Me complace que ALS pueda contribuir a este importante trabajo y poner sus herramientas a disposición de la comunidad de investigación en biociencias, ", dijo el director de ALS, Steve Kevan." Personalmente quiero agradecer a nuestros científicos de líneas de luz y al personal de operaciones por trabajar juntos para hacer que esto suceda en circunstancias muy difíciles ".

El director de MBIB, Paul Adams, dijo:"Es un testimonio de la importancia de la ELA para este tipo de investigación biomédica que tantos grupos hayan solicitado acceso para ayudar en sus esfuerzos por abordar el COVID-19. Las líneas de luz que se utilizan para el trabajo de cristalografía desarrollaron una capacidad de 'respuesta rápida' muchos años atrás, con acceso remoto y recopilación y análisis de datos automatizados, y por eso estaban listos para empezar a trabajar cuando se produjera esta crisis ".

El trabajo que ha sido aprobado en ALS incluye experimentos patentados por varias compañías farmacéuticas:Novartis, con sede en Suiza, que tiene una oficina en Emeryville, California; Vir Biotechnology, con sede en San Francisco; e IniXium, con sede en Canadá, una organización de investigación por contrato de descubrimiento de fármacos que sirve a la industria biotecnológica de EE. UU.

También en el primer lote se encuentran los experimentos de cristalografía de un grupo de investigadores del laboratorio de David Veesler, profesor asociado de la Universidad de Washington. Ese equipo se está enfocando en las proteínas puntiagudas en la superficie del virus COVID-19, que el virus utiliza para unirse e ingresar a las células huésped, y cómo neutralizarlos.

Otro equipo dirigido por Daved Fremont, profesor de la Universidad de Washington en Saint Louis, enviará muestras cristalizadas a la ALS, al igual que un equipo dirigido por James Hurley, la cátedra Judy C. Webb y profesora de bioquímica, biofísica, y biología estructural en UC Berkeley.

Hurley dijo que tres biólogos estructurales en su laboratorio están trabajando en la investigación de COVID-19:Tom Flower, Cosmo Buffalo, y Snow Ren. Los investigadores "tienen una enorme experiencia en cristalografía de rayos X y microscopía crioelectrónica, "otra técnica para explorar muestras biológicas, él dijo.

"Han comenzado a trabajar en varios proyectos para caracterizar las estructuras involucradas en la replicación de virus, con énfasis en la comprensión de cómo las proteínas virales interactúan con las proteínas y membranas del huésped, y sobre la rápida aplicación de esta información al descubrimiento de fármacos antivirales en colaboración con otros en el campus, "añadió.

Durante la pandemia de SIDA de la década de 1980, Hurley cambió los campos de la física a la biología estructural. "Vi cómo la biología estructural ayudó de manera fundamental en la creación de los antivirales del VIH que hicieron del SIDA una enfermedad tratable en lugar de una sentencia de muerte. Esa experiencia me da una perspectiva de cómo la biología estructural puede ayudar a crear nuevos antivirales, " él dijo.

Un equipo dirigido por Natalie Strynadka, profesor de bioquímica en la Universidad de Columbia Británica en Canadá, También se espera que envíe muestras de cristal para experimentos de ELA. Strynadka dijo que su laboratorio está colaborando con un equipo en Vancouver, Canadá, para identificar pequeños inhibidores moleculares que ralentizan la principal proteasa viral de COVID-19 (MPro), una enzima que descompone las proteínas en formas más pequeñas.

En trabajos relacionados, su laboratorio está trabajando con Venatorx Pharmaceuticals, con sede en Pensilvania, y un equipo dirigido por David Baker en la Universidad de Washington para identificar inhibidores de MPro. "Comprender dónde y cómo estos inhibidores se unen a MPro mediante cristalografía de rayos X será clave para guiar el desarrollo futuro, " ella dijo.

Ralf Bartenschlager, virólogo y profesor de la Universidad de Heidelberg en Alemania, enviará muestras de células infectadas con COVID-19, inactivo, para su estudio mediante una técnica conocida como tomografía de rayos X suave. En este esfuerzo colaborativo, El objetivo es desentrañar cómo la infección por el virus SARS-CoV-2 altera la estructura y organización de las células infectadas. con el objetivo a largo plazo de identificar dianas virales y celulares perturbadas por una infección que sean adecuadas para la terapia antiviral. El experimento será supervisado por Carolyn Larabell del laboratorio, también profesor en UC San Francisco y director del Centro Nacional de Tomografía de Rayos X, que desarrolla tecnologías de imagen para la investigación biológica y biomédica.

La ALS también está pidiendo a la comunidad de investigadores que presente otras propuestas para experimentos relacionados con COVID-19, Dijo Nix.

Los líderes de ALS y Berkeley Lab están considerando si abrir capacidades adicionales de rayos X, como la dispersión de rayos X de ángulo pequeño (SAXS) y la dispersión de rayos X de ángulo amplio, lo que permite la caracterización a alta velocidad de muestras biológicas que pueden tener una forma más natural de lo que permiten otras técnicas.

Greg Hura, un científico investigador de MBIB y profesor adjunto adjunto en UC Santa Cruz que opera el SIBYLS (Biología Estructuralmente Integrada para las Ciencias de la Vida) Beamline 12.3.1 en el ALS que realiza experimentos SAXS, dijo, "SIBYLS también puede desempeñar un papel en un consorcio de laboratorios multinacional y de técnicas múltiples para visualizar las posibles debilidades del virus COVID-19, y ayudar a desarrollar nuevos diagnósticos ".

Él agregó, "Los genomas virales (secuencias de ADN) son pequeños, pero las moléculas grandes que codifican son transformadores que pueden adoptar muchas funciones en diferentes contextos. SAXS proporciona una vía para estudiar estos sistemas en los muchos contextos a los que podrían dirigirse, y puede identificar los estados que son más susceptibles de verlos con una resolución más alta ".

Nix señaló que Beamline 4.2.2, que opera, y algunas otras líneas de luz en el ALS utilizan sistemas robóticos de entrega de muestras de modo que una vez que se llenan de muestras, Los experimentos pueden funcionar en gran medida a través de control remoto.

"No he tenido un usuario en el sitio en más de 5 años, " él dijo.

Tomó un esfuerzo de equipo, desde los gerentes y el personal de ALS hasta el liderazgo de Berkeley Lab, para hacer realidad la investigación relacionada con COVID-19, Nix señaló. "Ellos estaban trabajando, incluso antes de que se apagaran las luces, 'en el laboratorio, para ver qué podíamos hacer ".

También señaló que una variedad de fuentes de financiación de la investigación están haciendo posible este trabajo. "Es público, privado, y el apoyo del gobierno todos juntos, que es muy agradable de ver, " él dijo.