Utiliser des supercalculateurs pour lutter contre Ebola

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Newswise – Alors que le monde est aux prises avec la pandémie de coronavirus (COVID-19), un autre virus a de nouveau fait rage en République démocratique du Congo ces derniers mois: Ebola. Depuis la première épidémie terrifiante en 2013, le virus Ebola est périodiquement apparu en Afrique, provoquant des saignements horribles chez ses victimes et, dans de nombreux cas, la mort.

Comment pouvons-nous combattre ces agents infectieux qui se reproduisent en détournant des cellules et en les reprogrammant en machines de réplication de virus? La science au niveau moléculaire est essentielle pour prendre le dessus – des recherches que vous trouverez en cours dans le laboratoire du professeur Juan Perilla de l’Université du Delaware.

Perilla et son équipe d’étudiants diplômés et de premier cycle à l’UD Département de chimie et biochimie utilisent des supercalculateurs pour simuler le fonctionnement interne d’Ebola, en observant la façon dont les molécules se déplacent, atome par atome, pour remplir leurs fonctions. Dans les derniers travaux de l’équipe, ils révèlent les caractéristiques structurelles de l’enveloppe protéique enroulée du virus, ou nucléocapside, qui peuvent être des cibles thérapeutiques prometteuses, plus facilement déstabilisées et éliminées par un traitement antiviral.

le la recherche est mise en évidence dans le numéro du mardi 20 octobre du Journal de physique chimique, qui est publié par l’American Institute of Physics, une fédération de sociétés de sciences physiques représentant plus de 120 000 membres.

«La nucléocapside d’Ebola ressemble à une source de marche Slinky, dont les anneaux voisins sont connectés», a déclaré Perilla. «Nous avons essayé de trouver quels facteurs contrôlent la stabilité de ce ressort dans nos simulations informatiques.»

Le cycle de vie d’Ebola dépend fortement de cette nucléocapside enroulée, qui entoure le matériel génétique du virus constitué d’un seul brin d’acide ribonucléique (ARNss). Les nucléoprotéines empêchent cet ARN d’être reconnu par les mécanismes de défense cellulaire. Grâce à des interactions avec différentes protéines virales, telles que VP24 et VP30, ces nucléoprotéines forment une unité fonctionnelle minimale – une machine à copier – pour la transcription et la réplication virales.

Alors que les nucléoprotéines sont importantes pour la stabilité de la nucléocapside, la découverte la plus surprenante de l’équipe, a déclaré Perilla, est qu’en l’absence d’ARN simple brin, la nucléocapside devient rapidement désordonnée. Mais l’ARN seul n’est pas suffisant pour le stabiliser. L’équipe a également observé des ions chargés se liant à la nucléocapside, ce qui peut révéler où d’autres facteurs cellulaires importants se lient et stabilisent la structure au cours du cycle de vie du virus.

Perilla a comparé le travail de l’équipe à une recherche de «boutons» moléculaires qui contrôlent la stabilité de la nucléocapside comme des boutons de contrôle de volume qui peuvent être tournés pour empêcher la réplication du virus.

L’équipe UD a construit deux systèmes de dynamique moléculaire de la nucléocapside d’Ebola pour leur étude. L’un comprenait de l’ARN simple brin; l’autre ne contenait que la nucléoprotéine. Les systèmes ont ensuite été simulés à l’aide du supercalculateur Frontera du Texas Advanced Computing Center – le plus grand supercalculateur universitaire au monde. Les simulations ont duré environ deux mois.

L’assistant de recherche diplômé Chaoyi Xu a dirigé les simulations moléculaires, tandis que toute l’équipe était impliquée dans le développement du cadre analytique et la conduite de l’analyse. La rédaction du manuscrit a été une expérience d’apprentissage pour Xu et l’assistante de recherche de premier cycle Tanya Nesterova, qui n’avaient pas été directement impliquées dans ce travail auparavant. Elle a également reçu une formation de scientifique en informatique de nouvelle génération avec le soutien du programme de boursiers de recherche de premier cycle de l’UD et du programme XSEDE-EMPOWER de la NSF. Ce dernier lui a permis d’effectuer les recherches de plus haut niveau en utilisant les meilleurs supercalculateurs du pays. L’expertise du chercheur postdoctoral Nidhi Katyal a également été essentielle pour mener à bien le projet, a déclaré Perilla.

S’il existe un vaccin contre Ebola, il doit être conservé extrêmement froid, ce qui est difficile dans les régions africaines reculées où des flambées se sont produites. Le travail de l’équipe contribuera-t-il à faire progresser de nouveaux traitements?

«En tant que scientifiques de base, nous sommes ravis de comprendre les principes fondamentaux d’Ebola», a déclaré Perilla. «La nucléocapside est la protéine la plus abondante du virus et elle est hautement immunogène – capable de produire une réponse immunitaire. Ainsi, nos nouvelles découvertes peuvent faciliter le développement de nouveaux traitements antiviraux. »

Actuellement, Perilla et Jodi Hadden-Perilla utilisent des simulations de supercalculateurs pour étudier le nouveau coronavirus responsable du COVID-19. Bien que les structures de la nucléocapside d’Ebola et du COVID-19 partagent certaines similitudes – les deux sont des protofilaments hélicoïdaux en forme de bâtonnet et sont tous deux impliqués dans la réplication, la transcription et le conditionnement des génomes viraux – c’est là que s’arrêtent les similitudes.

«Nous affinons actuellement la méthodologie que nous avons utilisée pour Ebola pour examiner le SRAS-CoV-2», a déclaré Perilla.

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