The His41 site of 3CLpro is a new target for designing broad-spectrum antiviral agents against coronaviruses via a non-covalent pan-binding mode

Immaginate il mondo dei virus come una città frenetica e caotica dove piccoli invasori cercano costantemente di scassinare edifici (le nostre cellule) per rubare risorse e costruire più copie di se stessi. Per fermarli, gli scienziati di solito cercano di bloccare le porte anteriori (i punti di ingresso del virus) o di inviare agenti di polizia (i vaccini) per riconoscere le uniformi degli invasori. Ma i virus sono astuti; indossano travestimenti che cambiano ogni giorno, rendendo difficile per i vaccini stare al passo. Ecco perché gli scienziati stanno anche cercando una "chiave maestra" che possa bloccare i macchinari interni del virus, indipendentemente dal travestimento che indossa.

La macchina in questione è una minuscola coppia di forbici all'interno del virus chiamata 3CLpro. Pensate al virus come a un lungo filo di perline aggrovigliato che deve essere tagliato in pezzi specifici per funzionare. Le forbici 3CLpro compiono questo taglio. Se riuscite a bloccare queste forbici, il virus non può costruirsi e l'infezione si ferma. Per molto tempo, gli scienziati hanno cercato di bloccare queste forbici incollando un "cuneo" chimico direttamente sulla lama di taglio. Ma il virus è bravo a cambiare la forma della sua lama per far saltare via il cuneo. Questo articolo esplora una strategia diversa e più intelligente: invece di incollare un cuneo, e se trovassimo un modo per tenere delicatamente ma fermamente l'impugnatura delle forbici ferma, in modo che non possano muoversi affatto? Questa è la storia di come i ricercatori hanno trovato un composto naturale che fa esattamente questo e di come ne hanno costruito una versione super-potenziata per combattere un'intera famiglia di virus.

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La ricerca dell' "impugnatura" delle forbici virali

I coronavirus sono come dei mutaforma. Saltano tra animali e umani, mutando costantemente, il che li rende difficili da sconfiggere solo con i vaccini. Gli scienziati sono alla ricerca di un antivirale ad "ampio spettro" — un singolo farmaco che possa combattere molti tipi diversi di coronavirus, da quelli che causano il raffreddore comune a quelli che causano polmoniti gravi.

Il bersaglio scelto è la proteasi 3CL (o 3CLpro), la coppia di forbici essenziali del virus. La maggior parte dei farmaci cerca di fermare queste forbici incollando una "colla" chimica al bordo di taglio (un atomo di cisteina). Ma il virus può mutare per cambiare quel bordo, rompendo la colla. Questo articolo suggerisce un nuovo approccio: invece di incollarsi al bordo di taglio, perché non afferrare l'impugnatura?

L'impugnatura di queste forbici virali è una parte specifica della proteina chiamata His41. È come il punto di perno che fa funzionare le forbici. I ricercatori hanno scoperto che un composto naturale delle piante chiamato Isoliquiritigenina (ISL) — presente nella liquirizia e in altre piante — non si incolla alle forbici. Invece, fluttua nella tasca delle forbici e si aggancia all'impugnatura His41 usando una forza speciale simile al magnetismo chiamata interazione π–π (stacking).

Pensate all'interazione π–π come a due magneti piatti e rotondi (o due fette di pane) che naturalmente vogliono stare perfettamente paralleli tra loro. La molecola di ISL è piatta e aromatica (come una fetta di pane), e l'impugnatura His41 è anch'essa piatta e aromatica. Quando si incontrano, si incastrano in un abbraccio stabile e non covalente. Questo non è un collante permanente; è un abbraccio forte e reversibile che impedisce alle forbici di muoversi.

La scoperta: Un grimaldello naturale

Il team ha iniziato esaminando 6.000 prodotti naturali per vedere quale potesse bloccare le forbici del PEDV (un coronavirus del suino). Hanno trovato l'ISL. Quando l'hanno testata, hanno visto qualcosa di sorprendente: l'ISL si legava saldamente alle forbici normali, ma se cambiavano l'impugnatura His41 (mutandola), l'ISL scivolava via facilmente. Ciò ha dimostrato che l'ISL si affida interamente a quell'impugnatura specifica per funzionare.

Non era solo un successo isolato. I ricercatori hanno testato l'ISL contro nove diversi coronavirus appartenenti a quattro diverse famiglie (alfa, beta, gamma e delta). In ogni caso, l'ISL si agganciava all'impugnatura His41. Ha fermato con successo il funzionamento delle forbici e ha ridotto la quantità di virus nelle cellule. Nei suinetti infettati da un ceppo letale di PEDV, somministrare ISL prima dell'infezione ne ha salvati la maggior parte dalla morte, e somministrarlo dopo che si erano ammalati ha comunque aiutato la loro sopravvivenza.

Salire di livello: Da "buono" a "grande" con ISL-221

Sebbene l'ISL fosse efficace, gli scienziati volevano renderlo ancora migliore. Si sono resi conto che l' "abbraccio magnetico" (l'interazione π–π) tra l'ISL e l'impugnatura His41 era la chiave. Si sono chiesti: "E se rendessimo la molecola di ISL leggermente più magnetica?"

Hanno progettato una nuova versione chiamata ISL-221. Aggiungendo un piccolo gruppo donatore di elettroni alla molecola, hanno rafforzato l'interazione π–π. Immaginate di rendere i magneti leggermente più forti in modo che si incastrino ancora più strettamente.

I risultati sono stati impressionanti. L'ISL-221 si legava alle forbici 23 volte più saldamente rispetto all'originale ISL. In laboratorio, era 11 volte più efficace nel fermare il virus. Ma la vera magia è avvenuta negli animali vivi.

• Nei suinetti: Trattati con ISL-221, l'83,33% dei suinetti infettati da PEDV è sopravvissuto, rispetto al 66,67% con l'originale ISL. Per TGEV e PDCoV (altri due virus del suino), l'ISL-221 ha salvato il 100% dei suinetti trattati.
• Nei topi: Hanno testato l'ISL-221 contro il SARS-CoV-2 (il virus che causa il COVID-19). Il farmaco ha ridotto la quantità di virus nei polmoni dei topi a 1,65 ± 0,68 Log10 copie/g. Questa è una riduzione enorme, e l'articolo nota che le sue prestazioni sono comparabili a quelle di Paxlovid, un importante farmaco clinico.

Perché questo è importante

L'articolo sostiene che mirare all'impugnatura His41 con un "abbraccio" non covalente sia una strategia brillante per due ragioni:

1. È difficile imbrogliare: L'impugnatura His41 è così essenziale per la funzione delle forbici che il virus non può cambiarla facilmente senza rompere i propri strumenti. Questo rende più difficile per il virus sviluppare resistenza.
2. È ampio: Poiché questa impugnatura è quasi identica in tutte e quattro le famiglie di coronavirus, un farmaco progettato per abbracciarla può combattere una vasta gamma di minacce, dai virus dei suini alle pandemie umane.

I ricercatori non hanno solo ipotizzato che questo funzionasse; hanno usato simulazioni al computer per osservare la danza delle molecole, hanno confermato il legame con sensori ad alta tecnologia e lo hanno provato negli animali vivi. Sebbene l'ISL-221 non sia ancora un medicinale finito (deve ancora superare ulteriori test di sicurezza), questo studio illumina una strada luminosa verso il futuro. Dimostra che, comprendendo le minuscole e conservate "impugnature" dei macchinari virali, possiamo progettare scudi intelligenti ad ampio spettro che potrebbero essere la chiave per fermare la prossima epidemia di coronavirus prima ancora che inizi.