Rationally Designed Antiviral Proteins Targeting SARS-CoV-2

Abstract

O SARS-CoV-2 é o vírus responsável pela atual pandemia COVID-19, que causou >400 mi-lhões de infeções e >5 milhões de mortes, a datar de Fevereiro de 2022. Apesar dos esforços de vacinação, continua a ser urgente desenvolver estratégias para controlar a infeção e tratar as pes-soas infetadas que apresentam sintomas. O SARS-CoV-2 é um vírus de RNA de sentido positivo que pertence à família Coronaviridae. A sua estrutura externa é esférica, sendo encapsulado por uma membrana viral e, de forma a infetar a célula hospedeira, precisa de fundir a sua membrana com a membrana desta célula. Uma das proteínas que está ligada à membrana viral do vírus é a proteína spike (S), que é composta por duas subunidades: S1, que contém um domínio de ligação ao recetor (RBD) respon-sável pela ligação ao recetor da célula hospedeira, e S2, que facilita a fusão membranar entre as membranas do vírus e da célula do hospedeiro. Assim, esta proteína é a principal responsável pela capacidade do vírus de entrar nas células hospedeiras, tornando-a num dos alvos terapêuticos mais promissores dos coronavírus. O objetivo deste trabalho era conceber e produzir proteínas antivirais que pudessem impedir a interação entre as duas proteínas e, assim, bloquear a infeção. Estas proteínas são concebidas para se ligarem à região do RBD e bloquear a sua interação com o recetor hospedeiro, a enzima conversora da angiotensina-2 (ACE2). Numa primeira etapa, várias proteínas antivirais foram computacionalmente concebidas com o programa Rosetta, com base nas interações entre a ACE2 e o domínio de ligação ao recetor da proteína S. Posteriormente, realizaram-se simulações de dinâmica molecular (MD) de três candida-tos, tanto livres em solução como em complexo com o RBD, a fim de testar a sua interação com esta proteína. Seguiu-se uma validação experimental que começou com a expressão e purificação dos três candidatos. Após a obtenção de frações puras, a estrutura secundária e a estabilidade tér-mica destas proteínas foram testadas, respetivamente, por espetropolarimetria de dicroísmo circular no UV distante e fluorimetria de varrimento diferencial. A fim de avaliar a afinidade de cada candida-to para com o RBD, foi utilizada a ressonância plasmónica de superfície. Finalmente, foram realiza-dos ensaios de neutralização para estudar a capacidade destas proteínas se ligarem ao RBD. Os resultados experimentais mostram que uma das proteínas concebidas representa uma estratégia terapêutica promissora que será ainda melhorada no futuro.

SARS-CoV-2 is the virus responsible for the current COVID-19 pandemic, which has caused >400 million infections and >5 million deaths, as of February 2022. Despite the vaccination efforts, it remains urgent to develop strategies to control the infection and treat patients. SARS-CoV-2 is a positive-sense RNA virus that is part of the Coronaviridae family. Its outer structure is spherical, it is encapsulated by a viral membrane and, in order to infect the host cell, it needs to fuse its membrane with the host cell membrane. One of the proteins that is attached to the viral membrane of the virus is the spike (S) protein, which is composed of two subunits: S1, containing a receptor binding domain (RBD) responsible for binding to the host cell receptor, and S2, that facilitates membrane fusion between the viral and host cell membranes. Thus, this protein is primarily responsible for the ability of the virus to enter the host cells, making it one of the most promising therapeutic targets of coronaviruses. The goal of this work was to design and produce antiviral proteins that might prevent the in-teraction between the two proteins and therefore block infection. These proteins are engineered to bind to the RBD region and block its interaction with the host receptor, the angiotensin converting enzyme-2 (ACE2). In a first step, several antiviral proteins were computationally designed with the Rosetta pro-gram, based on the interactions between ACE2 and the receptor-binding domain. Next, molecular dynamics (MD) simulations of three candidates were performed, both free in solution as well as in complex with the RBD, in order to test their interaction with the RBD. This was followed by experi-mental validation that began with the expression and purification of the three candidates. After ob-taining pure fractions, the secondary structure and thermal stability of these proteins were tested by far-UV circular dichroism spectropolarimetry and differential scanning fluorimetry, respectively. In order to assess the affinity of each candidate for the RBD, surface plasmon resonance was em-ployed. Finally, neutralization assays were performed to study the neutralization ability of the pro-teins. The experimental results show that one of the designed proteins is a promising therapeutic lead that will be further improved in the future.