Ученые разработали инновационный метод компьютерного моделирования аптамеров. За счет него можно быстро получить аффинный агент для связывания с любым белком, для которого можно построить третичную структуру. В качестве примера создан аптамер связывающийся с белком шипа коронавируса. С его помощью исследователи планируют бороться с различными вариантами COVID-19 и другими подобными вирусами. Результаты исследования опубликованы в журнале Chemistry-A European Journal.

Пандемия COVID-19 показала, что вирусы представляют огромную угрозу для современного общества. Антитела, разработанные ранее для обнаружения и блокировки белков коронавирусов не всегда демонстрируют хорошее связывание с вирусом. Более того, для антител характерны плохая биодоступность, высокая стоимость и длительное время разработки и производства. Очевидно, что нужна новая методология быстрого конструирования устойчивых молекул, способных избирательно связываться с определенным белком-мишенью.

Международная группа ученых из России, Финляндии, Италии, Китая, Тайваня и Канады, в состав которой вошли исследователи ФИЦ «Красноярский научный центр СО РАН», разработала новую методику создания аптамеров для определения или «обезвреживания» вирусов. С ее помощью ученые создали новый 31-мерный ДНК-аптамер к шиповидному белку коронавируса.

Аптамеры представляют собой искусственные одноцепочечные молекулы РНК или ДНК. Их можно сконструировать так, чтобы они соединялись с белками-мишенями с высокой специфичностью и силой. Такие молекулы являются многообещающими для обнаружения SARSCoV-2 и блокирования его вирусной активности. Механизм их взаимодействия с мишенью аналогичен механизму антител. Они способны присоединяться к конкретной биологической мишени, например, белку шипа коронавируса, который важен для проникновения вируса в клетки хозяина.

Традицонно аптамеры выбирают в лабораторных условиях из ДНК-библиотек. Новый подход виртуального дизайна аптамеров, названный SIBDD (Structure and Interaction Based Drug Design), основан на знании о структурах молекул и силах их взаимодействия. Создание аптамеров по этой методике состоит из двух основных этапов: цифрового копьютерного моделирования и экспериментального анализа теоретических результатов. Сначала с помощью методов компьютерного моделирования с использованием суперкомпьютерных расчетов происходит поиск последовательностей нуклеотидов в аптамере, ответственных за селективное присоединение, и само конструирование структуры аптамера. Затем ученые проверяют отобранные варианты на их способность устанавливать связь с нужным белком. Как отмечают авторы технологии, она представляет собой комбинацию компьютерного моделирования, скрининга и направленного мутагенеза с экспериментальной проверкой в каждом цикле для получения молекул с высокой связываемостью и селективностью. Метод позволяет быстро разрабатывать молекулы для диагностики и терапии любых заболеваний с известной мишенью, в том числе SARS-CoV-2.

«Селекция аптамеров — сложный и трудоемкий процесс. Его можно упростить, сочетая вычисления и эксперименты. Мы разработали надежную технологию дизайна аптамера. Ее преимущество – в использовании мощности суперкомпьютера для быстрого конструирования молекул, блокирующих инфицирование вирусами. Это поможет, быстро и своевременно реагировать на потенциальные новые вирусы. Наш подход сочетает в себе несколько этапов: молекулярный дизайн, основанный на виртуальном скрининге библиотек аптамеров ДНК и направленном мутагенезе для увеличения соответствия третичной структуре белка; трехмерное молекулярное моделирование мишени и стыковки аптамера с белком; молекулярно-динамическое моделирование комплексов и квантово-механическая оценка взаимодействия между аптамером и мишенью с дальнейшим экспериментальным анализом. Эту методику можно использовать для улучшения структуры аптамера», – сообщила о результатах работы Анна Кичкайло, доктор биологических наук, заведующая лабораторией цифровых управляемых лекарств и тераностики ФИЦ КНЦ СО РАН, руководитель лаборатории биомолекулярных и медицинских технологий Красноярского государственного медицинского университета им. проф. В.Ф. Войно-Ясенецкого.

С помощью разработанной технологии исследователи создали модифицированный аптамер Apt31, который высоко специфичен к белку шипа коронавируса. По сравнению с используемыми ранее молекулами он обладает наиболее сильным связыванием с белком.

«Эффективность соединения Apt31 с белком шипа коронавируса была доказана с использованием трех различных экспериментальных методов. В настоящее время проводятся эксперименты по оценке противовирусных свойств Apt31. Можно предусмотреть два пути использования нового аптамера. Первый – терапевтическое применение для предотвращения проникновения вируса в клетки человека, и второй — диагностическое использование для обнаружения присутствия вируса в биологических жидкостях. Предварительные результаты показывают, что полученные аптамеры являются многообещающими кандидатами для обнаружения и блокировки вируса SARS-CoV-2. Кроме того, разработанный нами подход для создания аптамеров может способствовать созданию диагностических и терапевтических средств для других вирусов семейства коронавирусов или их мутировавших вариантов. Учитывая высокую универсальность аптамеров, компьютерный дизайн молекул предлагает многообещающие возможности для разработки диагностических и терапевтических инструментов для других заболеваний», – заключила Анна Кичкайло.

Исследование выполнено в рамках проекта №21-73-20240 Российского научного фонда.