En medio de una pandemia mundial con COVID-19, Es difícil darse cuenta de la suerte que han tenido las personas de fuera de África al evitar la mortal enfermedad del virus del Ébola. Incapacita a sus víctimas poco después de la infección con vómitos o diarrea masivos, que lleva a la muerte por pérdida de líquidos en aproximadamente el 50 por ciento de los afectados. El virus del Ébola se transmite solo a través de fluidos corporales, marcando una diferencia clave con el virus COVID-19 y que ha ayudado a contener la propagación del Ébola.

Los brotes de ébola continúan estallando en África occidental, aunque una vacuna desarrollada en diciembre de 2019 y las mejoras en la atención y la contención han ayudado a mantener el ébola bajo control. Las simulaciones de supercomputadoras realizadas por un equipo de la Universidad de Delaware que incluyó a un estudiante universitario respaldado por el programa XSEDE EMPOWER se están sumando a la mezcla y ayudando a romper las defensas del material genético enrollado del Ébola. Esta nueva investigación podría ayudar a lograr avances en el tratamiento y mejores vacunas para el ébola y otras enfermedades virales mortales como COVID-19.

"Nuestros principales hallazgos están relacionados con la estabilidad de la nucleocápside del ébola, "dijo Juan R. Perilla, profesor asistente en el Departamento de Química y Bioquímica de la Universidad de Delaware. Perilla es coautora de un estudio publicado en octubre de 2020 en la AIP Revista de física química . Se centró en la nucleocápside, una capa de proteína que protege contra las defensas del cuerpo, el material genético que usa el ébola para replicarse.

"Lo que hemos descubierto es que el virus del Ébola ha evolucionado para regular la estabilidad de la nucleocápside formando interacciones electrostáticas con su ARN, su material genético, "Dijo Perilla." Hay una interacción entre el ARN y la nucleocápside que lo mantiene unido ".

Como coronavirus, el virus del Ébola depende de una nucleocápside en forma de varilla y helicoidal para completar su ciclo de vida. En particular, Las proteínas estructurales llamadas nucleoproteínas se ensamblan en una disposición helicoidal para encapsular el genoma del ARN viral monocatenario (ssRNA) que forma la nucleocápside.

El estudio de Perilla y su equipo científico buscó los determinantes moleculares de la estabilidad de la nucleocápside, como la forma en que se empaqueta el material genético ssRNA, el potencial electrostático del sistema, y la disposición de residuos en el conjunto helicoidal. Este conocimiento es esencial para desarrollar nuevas terapias contra el ébola. Sin embargo, estos conocimientos siguen estando fuera del alcance incluso de los mejores laboratorios experimentales del mundo. Simulaciones por computadora, sin embargo, puede y llenó ese vacío.

"Puedes pensar en el trabajo de simulación como una extensión teórica del trabajo experimental, "dijo la coautora del estudio, Tanya Nesterova, investigador de pregrado en el Perilla Lab. "Descubrimos que el ARN tiene una carga muy negativa y ayuda a estabilizar la nucleocápside a través de la interacción electrostática con las nucleoproteínas con carga mayoritariamente positiva, " ella dijo.

Nesterova recibió financiación a través de un mentor experto de XSEDE que produce oportunidades de trabajo, Educación, y beca de investigación (EMPOWER) en 2019, que apoya a los estudiantes universitarios a participar en el trabajo real de XSEDE.

"Fue un programa eficaz, ", dijo." Usamos recursos computacionales como Bridges este verano. También mantuvimos una comunicación regular con el coordinador para mantener nuestro progreso encaminado ".

El equipo desarrolló una simulación de dinámica molecular de la nucleocápside del Ébola, un sistema que contiene 4.8 millones de átomos. Utilizaron la estructura de microscopía crioelectrónica del virus del Ébola publicada en Nature en octubre de 2018 para sus datos en la construcción del modelo.

"Creamos dos sistemas, "dijo el coautor del estudio, Chaoyi Xu, un doctorado estudiante en el laboratorio de Perilla. "Un sistema es la nucleocápside del Ébola con el ARN. Y el otro es solo la nucleocápside como control".

"Después de que construimos todo el tubo, colocamos cada nucleocápside en un entorno similar al de la célula, "Xu explicó. Básicamente agregaron iones de cloruro de sodio, y luego ajustó la concentración para que coincida con la encontrada en el citoplasma. También colocan una caja de agua en el interior alrededor de la nucleocápside. "Y luego ejecutamos una simulación muy poderosa, "Agregó Xu.

El Extreme Science and Engineering Discovery Environment (XSEDE), financiado por la NSF, otorgó al equipo asignaciones de supercomputación en el sistema Stampede2 en el Texas Advanced Computing Center y en el sistema Bridges del Pittsburgh Supercomputing Center.

"Estamos muy agradecidos por los recursos de supercomputadora proporcionados por XSEDE que permitieron que este trabajo fuera posible. XSEDE también brindó capacitación a través de cursos en línea que fueron útiles, "Dijo Xu.

"En Stampede2, tenemos acceso para ejecutar simulaciones en cientos o incluso miles de nodos, "Xu continuó." Esto nos permite ejecutar simulaciones de sistemas más grandes, por ejemplo, la nucleocápside del Ébola. Esta simulación es imposible de terminar localmente. Eso es muy importante " él dijo.

"Me gusta cómo con Bridges, cuando ejecutas una simulación, puede estar actualizado sobre cuándo se completa y cuándo comenzó, ", Agregó Nesterova. Dijo que fue útil para crear scripts de Slurm, que ayudan a administrar y programar trabajos en clústeres informáticos.

"Acabamos de empezar a utilizar Frontera para el proyecto contra el ébola, ", Agregó Xu. Frontera es el sistema insignia de nivel 1 de NSF en TACC, clasificado # 9 en el mundo por Top500. "Es más potente porque tiene la última arquitectura de CPU. Y es muy rápido, " él dijo.

"Frontera es parte de la infraestructura TACC, ", Dijo Perilla." Sabíamos qué herramientas de desarrollo iban a estar allí, y también el sistema de colas y otras complejidades de estas máquinas. Eso ayudó mucho. En términos de arquitectura, estamos familiarizados con Stampede2, aunque esta es una máquina diferente. Nuestra experiencia con Stampede2 nos permitió movernos rápidamente para comenzar a usar Frontera, " él dijo.

El equipo científico simuló la interacción de los átomos en la nucleocápside del virus del Ébola y midió cómo cambian con el tiempo. produciendo información útil sobre las interacciones atómicas. Una de las cosas que encontraron fue que sin el ARN, la nucleocápside del virus del Ébola mantuvo su forma de tubo. Pero el empaquetamiento de los monómeros de nucleoproteínas se desordenó, y se perdió su simetría helicoidal. Con el ARN, mantuvo su hélice. Sus resultados mostraron que la unión del ARN estabilizó la hélice y preservó la estructura de la nucleocápside del virus del Ébola.

El equipo también encontró interacciones importantes entre los residuos de nucleoproteínas y el ssRNA, y también interacciones entre dos nucleoproteínas.

"Hay dos tipos de interfaces entre los pares de nucleoproteínas que forman la disposición helicoidal. Descubrimos cuál de estas interfaces juega un papel más importante. Podemos apuntar a esa interfaz para desestabilizar la disposición helicoidal o estabilizar la disposición helicoidal en gran medida tal que la nucleocápside del virus no se puede desmontar, "dijo el coautor del estudio, Nidhi Katyal, investigador postdoctoral en el Perilla Lab.

El virus del Ébola es un organismo resistente porque regula estrechamente su ensamblaje macromolecular. Perilla sugirió que en lugar de intentar idear fármacos que destruyan la nucleocápside, una buena estrategia podría ser hacer lo contrario.

"Si lo hace demasiado estable, eso es suficiente para matar el virus, ", dijo. Tomando prestada una estrategia de su experiencia en la investigación del VIH, quiere encontrar objetivos para los medicamentos para sobreestabilizar el virus del Ébola y evitar que libere su material genético, un paso clave en su replicación.

Perilla sugirió una estrategia similar para otros patógenos que están estrictamente regulados, como coronavirus y virus de la hepatitis B. "Son un punto dulce, por así decirlo. Sabemos lo que confiere estabilidad. Otros equipos pueden ver si este es un buen sitio que se puede drogar para hacerlo hipostable o hiperestable. "Dijo Perilla.

Mirando hacia el futuro, Perilla indicó que su laboratorio analizará más de cerca los detalles de la secuencia de ssRNA y si confiere estabilidad al tubo de la nucleocápside del virus del Ébola. Si lo hace, luego, algunas regiones podrían estar expuestas y podrían transcribirse primero, similar a lo que sucede en el núcleo de la célula. Perilla dijo que sería "inaudito en un virus, "y un comportamiento extremadamente avanzado en cuanto al ARN que regula la transcripción".

Dijo Perilla:"Sabemos que habrá más patógenos que seguirán llegando, particularmente con los coronavirus ahora, y pueden detener al mundo. Es beneficioso para la sociedad tener la capacidad de estudiar no solo un virus, pero tomando estas técnicas para estudiar un nuevo virus, algo así como coronavirus. Además, la capacidad de formar nuevos estudiantes, como Tanya, proporciona a los contribuyentes el valor de su dinero en términos de capacitación de la próxima generación, transferir conocimiento de otros virus, y luchar contra los problemas actuales ".