Cedera Ginjal Akut di antara orang Afrika-Amerika dengan Ciri dan Penyakit Sel Sabit

Siswa Mengidentifikasi Titik Awal untuk Potensi Penghambat COVID-19


Dua siswa yang bekerja di bawah bimbingan Desigan Kumaran, seorang ahli biologi struktural di Laboratorium Nasional Brookhaven Departemen Energi AS, telah membantu mengidentifikasi molekul yang berpotensi mengarah pada obat antivirus baru untuk mengobati COVID-19. Meskipun para siswa melakukan magang musim gugur 2020 mereka dari jarak jauh, potensi pekerjaan mereka tertanam kuat di dunia nyata dan dapat memiliki dampak yang bertahan lama.

“Memiliki pengalaman ini — bimbingan dan hubungan — tidak kurang dari mencengangkan!” kata Huzaifa Kamran Khawaja, lulusan perguruan tinggi komunitas pidato perpisahan dari Napa Valley College, sekarang seorang junior yang belajar biologi molekuler di University of California, Berkeley, yang berpartisipasi dalam penelitian melalui program Magang Laboratorium Ilmu Pengetahuan (SULI) DOE. “Anda bukan hanya siswa biasa; Anda tidak hanya mendapatkan informasi — Anda juga berkontribusi pada bidang sains. ”

Ricca Gonzalez, yang baru saja lulus dengan gelar Associate dalam bisnis dari Northampton Community College di Bethlehem, Pennsylvania, dan berpartisipasi melalui program Community College Internships (CCI) DOE, setuju. “Saya telah belajar banyak dalam tiga bulan terakhir ini, termasuk perangkat lunak dan pengkodean dan banyak hal tentang biologi yang tidak saya ketahui sebelumnya — spesifikasinya hingga ke tingkat molekuler. Dari pengalaman ini, saya akan melanjutkan perjalanan ilmiah saya. Saya tidak memiliki latar belakang sains yang besar dan saya ingin mengembangkannya, ”katanya.

Kedua siswa tersebut memulai proyek mereka dengan mempelajari dan mengunduh struktur dari Protein Data Bank (PDB) protein yang memainkan peran kunci dalam siklus hidup virus yang menyebabkan COVID-19. Mereka menambang database obat yang sudah disetujui untuk digunakan melawan penyakit lain oleh Food and Drug Administration (FDA) AS, mencari yang menurut mereka mungkin efektif terhadap target virus yang mereka pilih. Untuk mempersempit pencarian mereka di antara 20.000 kemungkinan obat, mereka memanfaatkan pengetahuan yang diperoleh dari membaca penelitian sebelumnya dan mempelajari sebanyak mungkin tentang protein spesifik mereka. Kemudian mereka menggunakan teknik pemodelan komputasi untuk menguji apakah molekul kandidat mereka dapat memblokir fungsi protein mereka.

Prosesnya seperti permainan pencocokan molekuler — menemukan molekul obat dengan ukuran, bentuk, dan kimia tertentu yang akan sesuai dengan bagian fungsional dari protein target.

“Saya suka menganggapnya sebagai Lego,” kata Gonzalez. “Saat Anda menyatukan Lego, Anda harus menemukan bagian tertentu agar dapat mengikat dengan sempurna.”

Protein juga bekerja seperti itu, menyesuaikan diri dengan molekul yang berinteraksi dengannya di dalam sel untuk melakukan tugas khusus mereka. Jika Anda dapat menemukan bagian lain yang juga cocok — atau, idealnya, bahkan lebih baik — Anda dapat memblokir interaksi normal dan menonaktifkan virus.

Target 1: gunting molekuler

Sasaran Gonzalez adalah protease virus yang disebut Papain Like protease (PLpro) —suatu enzim yang bertindak seperti gunting molekuler untuk memotong potongan protein virus yang baru disintesis. Seperti yang dijelaskan oleh mentor Desigan Kumaran, ketika virus menginfeksi sel, virus membajak mesin molekuler sel untuk mentranskripsi kode genetik RNA virus menjadi dua rantai protein panjang. Protease ini (dan yang lain disebut MPro) memotong rantai panjang ini menjadi protein fungsional yang lebih kecil yang diperlukan untuk membuat salinan baru virus. Menonaktifkan gunting akan mencegah penyebaran infeksi.

Saat Gonzalez mencari database FDA untuk kemungkinan protease inhibitor dan agen antivirus lainnya, dia mengidentifikasi sekitar 30 kandidat obat yang mungkin memblokir situs aktif PLpro — bagian kunci dari enzim yang mengikat target molekulernya untuk melakukan tindakan enzimatiknya, dalam kasus ini , pemotongan protein.

Untuk setiap obat kandidat, dia mengunduh file struktur molekul dan melakukan beberapa konversi pengkodean / pemrograman untuk menempatkan file tersebut ke dalam format yang dapat dimodelkan oleh program yang disebut AutoDock Vina. AutoDock Vina mensimulasikan bagaimana obat akan “berlabuh,” atau sesuai, dengan situs aktif PLpro, memberikan perkiraan teoritis tentang seberapa kuat dua molekul mengikat bersama (dalam hal energi pengikatan). Program ini juga menghasilkan visualisasi dari interaksi molekuler yang terlibat dalam pengikatan, menunjukkan atom mana yang secara tepat berinteraksi untuk menyatukan potongan-potongan “Lego”.

Melalui studi yang melelahkan, Gonzalez mengidentifikasi satu obat kandidat dengan afinitas pengikatan yang “layak”, yang dapat berfungsi sebagai titik awal untuk menyempurnakan desain obat (lihat di bawah).

Target 2: Penstabil RNA

Sementara itu, Huzaifa Kamran Khawaja mempelajari semua yang dia bisa tentang protein virus corona yang berbeda. Sasarannya, yang dikenal sebagai Nukleokapsid, atau N, menempel pada setiap salinan RNA virus yang dihasilkan oleh sel yang terinfeksi. Nukleokapsid bertindak sebagai penstabil sehingga salinan RNA dapat dikemas menjadi partikel virus yang lengkap. Ketika salinan itu keluar dari sel itu, mereka terus menginfeksi yang lain — atau orang lain yang cukup sial untuk menghirup partikel virus. Tanpa penstabil N, RNA tidak akan kemana-mana dan infeksi akan dihentikan.

“Saya mencari ligan, atau molekul kecil, yang akan mengikat situs aktif di Nukleokapsid untuk menghentikannya dari mengikat ke RNA,” kata Khawaja.

Dia menggunakan analogi gembok dan kunci di mana protein target adalah gembok dan molekul obat adalah kuncinya.

“Kami mencoba untuk menemukan kunci yang cocok dengan kunci itu sebelum mengikat ke RNA, sehingga mencegah kunci lain [the portion of the RNA that normally interacts with Nucleocapsid] dari memasukkan ke dalam kunci. ” Obat-obatan kecil yang meniru RNA virus tetapi memiliki afinitas pengikatan yang lebih kuat dapat mengalahkan virus untuk menjaga agar kunci tetap diblokir.

Untuk menemukan pemblokir potensial, Khawaja memulai dengan pencarian database FDA dan pendekatan pengaitan molekuler yang sama seperti Gonzalez. Dia mulai dengan mencari obat yang sudah disetujui yang mungkin mengikat situs aktif Nucleocapsid dan melakukan studi docking untuk memahami sifat pengikatannya.

“Saya mulai melihat beberapa obat yang disetujui FDA yang bekerja untuk HIV (virus AIDS) dan jenis virus lainnya. Saya menemukan ada komponen tertentu dari ligan yang, jika ada, membuatnya terikat sangat kuat — komponen elektronegatif seperti gugus fosfat (fosfor dan oksigen) dan senyawa aromatik (struktur cincin), ”katanya.

Dengan menggunakan petunjuk tentang kimia, pengaturan atom, dan muatan elektrostatis bersih, dia kemudian mencari molekul kecil lainnya yang memiliki komponen tersebut dan mencoba untuk memasangnya.

“Saya menguji sekitar 54 ligan dengan program docking, dan secara bertahap mengubah molekul untuk meningkatkan afinitas pengikatannya dengan Nukleokapsid,” kata Khawaja.

Pada akhirnya, ia mengidentifikasi sepuluh molekul dengan energi pengikat yang wajar yang “jenuh” dengan komponen yang dirancang untuk meningkatkan pengikatan.

Langkah selanjutnya: eksperimen laboratorium…

Dengan molekul “hit” yang diidentifikasi dari studi pemodelan komputasi Gonzalez dan Khawaja, Kumaran Brookhaven selanjutnya akan membawa molekul tersebut ke laboratorium untuk beberapa eksperimen dunia nyata.

“Dalam kasus ligan Ricca, kami dapat melakukan uji biokimia untuk melihat apakah molekul tersebut menghambat aktivitas enzim PLpro secara in vitro,” kata Kumaran. “Kami akan menambahkan ligan ini ke dalam campuran reaksi enzimatik dan melihat apakah itu menghambat aktivitas proteolitik enzim. Untuk ligan Huzaifa, kita dapat melakukan uji pengikatan eksperimental menggunakan thermofluoresis, “yang mengukur berapa banyak energi yang dibutuhkan untuk menarik ligan dan target agar terpisah, katanya.

Untuk setiap molekul yang menjanjikan dalam eksperimen biokimia tersebut, langkah selanjutnya adalah studi struktur kristalografi sinar-X di National Synchrotron Light Source II (NSLS-II) Brookhaven, fasilitas pengguna Kantor Ilmu Pengetahuan DOE yang terkenal dengan studi struktur proteinnya— dan banyak jenis eksperimen lainnya. Dengan mengukur bagaimana sinar-X menyebar dari sampel, para ilmuwan dapat menentukan struktur 3D skala atom dari molekul ligan yang terikat pada target proteinnya. Hasilnya memberikan peta rinci tentang posisi atom individu dan informasi tentang interaksi molekuler antara molekul.

“Kami kemudian dapat menggunakan informasi tersebut untuk mendesain ulang ligan lebih lanjut untuk meningkatkan ikatannya sehingga bekerja lebih baik — dan idealnya membuatnya bekerja pada konsentrasi yang cukup rendah untuk dipindahkan ke uji praklinis dan klinis, langkah selanjutnya adalah mengujinya sebagai kemungkinan obat, ”kata Kumaran.

… Dan karier

Kumaran bangga dengan siswa dan pencapaian mereka dalam magang virtual. “Mereka berdua melakukan pekerjaan yang sangat baik,” katanya.

“Saya sangat, sangat senang bahwa kami dapat merekrut Ricca dan dia dapat melakukan banyak hal yang berasal dari latar belakang bisnis yang sangat berbeda. Tidak mudah mendalami biologi dan memahami virologi, proses biokimia, dan kemudian dockingnya, ”katanya.

Kumaran dan Gonzalez sama-sama mengakui bagaimana Khawaja, dengan latar belakang biologi molekulernya, membantu rekan magangnya, terutama di awal magang. Mungkin kombinasi biologi dan keterampilan bisnis yang baru ditemukan Gonzalez akan membantunya dengan baik di karier masa depan, mungkin di industri farmasi? Untuk saat ini, dia berkata, “Saya akan pindah ke program biologi. Saya mencari sesuatu yang cocok untuk saya. “

Kedua magang sangat berterima kasih atas kesempatan untuk mengerjakan penelitian penting semacam itu.

Khawaja menyimpulkannya sebagai berikut: “Saya adalah siswa pindahan perguruan tinggi dan saya pikir saya tidak akan pernah mendapatkan posisi penelitian. Saya bahkan tidak berpikir saya memiliki kapasitas untuk memimpikannya, dan di sini saya mendapat kesempatan untuk bekerja dengan orang-orang hebat di Brookhaven. Saya merasa sangat bangga menjadi bagian dari organisasi ini — Brookhaven Lab, SULI, departemen biologi. Dan saya bahkan tidak berpikir terima kasih akan cukup untuk mengakui cara Dr. Kumaran telah membantu kami berdua dalam proses ini. Ini bukan hanya tentang apa yang kami pelajari, tetapi bagaimana kami dapat menggunakan pengalaman ini di masa depan dalam bidang apa pun yang kami tekuni. ”

Magang SULI dan CCI didukung oleh DOE Office of Science, Office of Workforce Development for Teachers and Scientists (WDTS). Penelitian COVID-19 Desigan Kumaran didanai oleh program Penelitian dan Pengembangan Laboratorium Directed Brookhaven dan oleh National Virtual Biotechnology Laboratory (NVBL), sebuah konsorsium laboratorium nasional DOE yang berfokus pada tanggapan terhadap COVID-19, dengan pendanaan yang disediakan oleh Coronavirus CARES Act, didistribusikan oleh DOE Office of Science.

Laboratorium Nasional Brookhaven didukung oleh Kantor Ilmu Pengetahuan Departemen Energi AS. Office of Science adalah pendukung terbesar penelitian dasar dalam ilmu fisika di Amerika Serikat dan bekerja untuk mengatasi beberapa tantangan paling mendesak di zaman kita. Untuk informasi lebih lanjut, kunjungi https://energy.gov/science.


Diposting Oleh : https://singaporeprize.co/

About the author