Biologia structurală pentru SARS-CoV-2: cristalografia de raze X

Teoria cristalografică a fost dezvoltată la scurt timp după ce Wilhelm Röntgen a descoperit razele X, datorită contribuțiilor lui Max von Laue (laureat al Premiului Nobel în 1914) și lui William Henry și William Lawrence Bragg (tată și fiu, ambii laureați ai Premiului Nobel în 1915), cu timpul fiind rafinată și îmbunătățită constant. În epoca acestor pionieri, stabilirea structurii moleculelor mici precum aspirina era o provocare formidabilă, dar datorită vizionarilor precum Sir John Kendrew și Max Perutz a fost posibilă determinarea primelor structuri ale proteinelor, mioglobina și hemoglobina. Din 1945 până în prezent, lista succeselor cristalografiei în a ne oferi imagini ale proteinelor de interes biomedical este infinită și importanța acestor informații este coroborată de Academia Regală Suedeză de Științe ce recompensează periodic cu Premiul Nobel studiile ce ne permit să înțelegem funcționarea proteinelor complexe (https://www.iucr.org/people/nobel-prize).

Care sunt pașii acestei tehnici? Să privim schema:

1. 2. În primul rând, este necesar să avem la dispoziție miligrame de mostră pură, adică, cantități infinitezimale de contaminanți: în practică, multe molecule identice.

3. Apoi, aceste molecule trebuie să alcătuiască un cristal, adică o rețea tridimensională ordonată. Acest pas este fundamental, deoarece moleculele din cristal sunt poziționate conform șabloanelor de simetrie, precum cele studiate de M. C. Escher (https://mcescher.com/gallery/symmetry/).

4. Ordinea moleculelor în cristal face ca electronii din jurul atomilor, atunci când sunt iradiați cu raze X, să împrăștie radiația în fază, adunându-se exact ca membrii unui cor. Acest efect de amplificare ne permite să măsurăm spectrul de difracție, adică pozițiile și intensitatea razelor X difractate de moleculele din cristal.

5. După efectuarea măsurătorii și prin aplicarea unui tip de lentilă matematică (numită „transformata Fourier inversă”), obținem harta densității electronilor ce ne spune cum sunt aranjați atomii în cristal. Densitatea electronilor poate fi vizualizată pe computer și componentele moleculei biologice pe care le studiem (aminoacizi pentru proteine, baze de riboze și de azot pentru ADN și ARN...) trebuie să fie introduse în acesta, într-un proces de interconectare ce ar putea semăna cu niște jocuri video.

6. După finalizarea interpretării densității electronice, avem structura tridimensională!

Interpretarea densității electronilor în cristalografie. Densitatea este reprezentată de o grilă în interiorul căreia se află atomii ce alcătuiesc proteina. În cazul unei proteine, forma densității se observă și se compară cu structura celor douăzeci de aminoacizi ce o alcătuiesc (unii dintre aceștia fiind reprezentați în figură). Introducând aminoacizii în ordine corectă și urmărind sinusoidele tridimensionale ale densității electronilor, se reconstruiește structura proteinei. Prin amabilitatea Dr. Degano.

Cristalografia este un instrument foarte versatil și puternic pentru dezvoltarea compușilor principali pentru care există probabilitatea de a deveni medicamente. Cu diferite metodologii este posibilă obținerea structurii proteinelor țintă legate de molecule cu activitate inhibitorie: de fapt, este posibilă „cufundarea” cristalelor într-o soluție în care o substanță pe care o cunoaștem poate lega proteina țintă, sau putem obține cristale de proteine după ce aceasta este legată de compusul respectiv. De îndată ce structura proteinei legate de un compus este cunoscută, putem vizualiza ce părți ale proteinei (pe care le putem asimila unei mănuși) nu sunt umplute corect de moleculă (degetele unei mâini). Cu aceste informații putem modifica molecula inhibitorie pentru a o face să completeze mai bine ținta noastră și îi putem bloca funcționarea!

Exemplu de inhibitor al unei enzime ce a fost introdus în moleculele unui cristal. Densitatea electronilor, reprezentată cu verde, definește locul unde este poziționată molecula în structura proteică, reprezentată prin suprafața albă. Se poate vedea că molecula nu ocupă perfect cavitatea disponibilă, deci este posibilă crearea unui compus ce completează mai bine structura proteică și îi blochează eficient funcționarea. Structura utilizată poate fi accesată cu codul 3MKN în Banca de date cu proteine. Prin amabilitatea Dr. Degano.