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Publicação
Computational design of next-generation antiviral biologics targeting the Zika virus
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Orientador(es)
Resumo(s)
The problem addressed in this research is the development of antiviral biologics targeting the Zika virus (ZIKV), specifically focusing on the envelope protein domain III (DIII). The infection caused by ZIKV poses a severe challenge as it reaches a very alarming population, pregnant women, and may give rise to severe complications in the fetus and infants. No licensed treatment against ZIKV infection currently exists. Given the fact that ZIKV infection initiates primarily from the binding of ZIKV envelope protein DIII to a receptor in the host cell membrane, targeting this domain may be a strategy to impede this binding from occurring. To achieve this goal, this project explores several state-of-the-art protein design tools and molecular modelling methods to develop novel antiviral biologics with increased affinity to DIII, with the goal of preventing viral entry into host cells. Monobodies (Mobs), which are small proteins sharing a similar fold to the human fibronectin type-III domain, are used as scaffold in the design process. Three different design strategies were tested in this study, which included (1) using a framework based on capturing molecular interaction fingerprints (MaSIF), (2) using the RFdiffusion tool to generate de novo Mob-like structures in context of the target and (3) running a metadynamics simulation of a Mob structure bound to DIII to obtain poses in which the two surfaces better complemented each other. The design strategies included the redesigning of the Mob sequences to increase their affinity to DIII. Several other protein structure prediction tools such as AlphaFold and Rosetta were implemented to validate the designs and select the most promising. In total, 11 designs were elected as most promising and were further evaluated through molecular dynamics simulations, both unbound and bound to DIII, to evaluate their dynamics. Overall, 6 of the 11 designs show promising results both regarding their predicted stability and interaction with the target. The remaining 5 designs, while seemingly stable and able to maintain their conformational fold, are predicted to showcase poorer results regarding their affinity to DIII.
O problema abordado neste projeto de investigação é o desenvolvimento de novos antivirais contra o vírus Zika (ZIKV), focando especificamente no domínio III (DIII) da proteína de fusão do vírus. A infeção causada por ZIKV representa um grande desafio, pois afeta uma população muito vulnerável, as mulheres grávidas. Atualmente, não existe nenhum tratamento licenciado contra a infeção por ZIKV. Dado que a infeção por ZIKV se inicia com a ligação do DIII da proteína de fusão a um recetor na membrana da célula hospedeira, uma estratégia para impedir o processo de infeção poderá envolver o bloqueamento do DIII. Para atingir este objetivo, este projeto explora várias ferramentas de design de proteínas e métodos de modelagem molecular para desenvolver novos antivirais com afinidade ao DIII, com o objetivo de bloquear a sua ação e prevenir a entrada viral em células hospedeiras. Os monobodies (Mobs), que são proteínas de pequena dimensão com uma estrutura que se assemelha ao domínio de fibronectina tipo-III (FN3), são usadas no desenvolvimento deste projeto como scaffold para o processo de design. Foram testadas três estratégias de design distintas: incluindo (1) uma abordagem baseada na captura de fingerprints de interação molecular (MaSIF), (2) a utilização da ferramenta RFdiffusion para gerar estruturas de Mobs de novo no contexto da proteína alvo, e (3) a execução de simulações de metadinâmica de um Mob ligado ao DIII de maneira a gerar poses em que as duas superfícies dispusessem de uma melhor complementaridade. As estratégias de design também incluíram o redesenho das sequências dos Mobs para aumentar a sua afinidade ao DIII. Outras ferramentas de previsão de estrutura, como AlphaFold e Rosetta, foram implementadas para validar os designs e selecionar os mais promissores. No total, 11 designs foram selecionados como sendo os mais promissores e foram usados para realizar simulações de dinâmica molecular, tanto não ligados como ligados ao DIII, para avaliar a sua dinâmica. No total, 6 designs mostram resultados promissores em termos de estabilidade prevista e capacidade de interação com o alvo. Os 5 designs restantes, apesar de estáveis e capazes de manter a sua conformação em simulação, apresentam resultados inferiores em relação à sua capacidade de interação com o DIII.
O problema abordado neste projeto de investigação é o desenvolvimento de novos antivirais contra o vírus Zika (ZIKV), focando especificamente no domínio III (DIII) da proteína de fusão do vírus. A infeção causada por ZIKV representa um grande desafio, pois afeta uma população muito vulnerável, as mulheres grávidas. Atualmente, não existe nenhum tratamento licenciado contra a infeção por ZIKV. Dado que a infeção por ZIKV se inicia com a ligação do DIII da proteína de fusão a um recetor na membrana da célula hospedeira, uma estratégia para impedir o processo de infeção poderá envolver o bloqueamento do DIII. Para atingir este objetivo, este projeto explora várias ferramentas de design de proteínas e métodos de modelagem molecular para desenvolver novos antivirais com afinidade ao DIII, com o objetivo de bloquear a sua ação e prevenir a entrada viral em células hospedeiras. Os monobodies (Mobs), que são proteínas de pequena dimensão com uma estrutura que se assemelha ao domínio de fibronectina tipo-III (FN3), são usadas no desenvolvimento deste projeto como scaffold para o processo de design. Foram testadas três estratégias de design distintas: incluindo (1) uma abordagem baseada na captura de fingerprints de interação molecular (MaSIF), (2) a utilização da ferramenta RFdiffusion para gerar estruturas de Mobs de novo no contexto da proteína alvo, e (3) a execução de simulações de metadinâmica de um Mob ligado ao DIII de maneira a gerar poses em que as duas superfícies dispusessem de uma melhor complementaridade. As estratégias de design também incluíram o redesenho das sequências dos Mobs para aumentar a sua afinidade ao DIII. Outras ferramentas de previsão de estrutura, como AlphaFold e Rosetta, foram implementadas para validar os designs e selecionar os mais promissores. No total, 11 designs foram selecionados como sendo os mais promissores e foram usados para realizar simulações de dinâmica molecular, tanto não ligados como ligados ao DIII, para avaliar a sua dinâmica. No total, 6 designs mostram resultados promissores em termos de estabilidade prevista e capacidade de interação com o alvo. Os 5 designs restantes, apesar de estáveis e capazes de manter a sua conformação em simulação, apresentam resultados inferiores em relação à sua capacidade de interação com o DIII.
Descrição
Palavras-chave
Zika virus Monobody RFdiffusion AlphaFold Molecular Dynamics