В сердцевине репликации ВИЧ

Суперкомпьютерное моделирование, поддержанное средой Extreme Science and Engineering Discovery Environment (XSEDE), позволило раскрыть механизм, с помощью которого вирус ВИЧ-1 импортирует в свой капсид нуклеотиды, необходимые для синтеза ДНК — ключевого этапа его репликации. Это первый известный пример, когда вирус активно рекрутирует малые молекулы из клеточной среды в свой капсид для проведения процесса, полезного для его жизненного цикла.

Исследование в области вычислительной биофизики, опубликованное в декабре 2020 года в PLOS Biology, бросает вызов преобладающему взгляду на вирусный капсид, который долго считался просто статичной оболочкой, хранящей генетический материал вируса.

«Насколько мне известно, это первая работа, которая комплексно показывает активную роль капсидов в регулировании очень специфического жизненного цикла вируса — не только в вычислениях, но и в in vitro тестах и, в конечном счете, в клетках», — сказал соавтор работы Хуан Р. Перилья.

Методология и открытие

  • Исследователи использовали молекулярно-динамическое (MD) моделирование, чтобы изучить, как капсид ВИЧ пропускает малые молекулы, включая нуклеотиды и метаболит IP6, который помогает стабилизировать капсид.
  • Предсказания моделирования были подтверждены экспериментальными группами с помощью атомно-силовой и просвечивающей электронной микроскопии.
  • Было показано, что капсид активно регулирует обратную транскрипцию — процесс синтеза вирусной ДНК внутри себя, используя импортированные нуклеотиды как «топливо».

Роль суперкомпьютеров

  • Для решения задачи, требующей изучения процессов на длительных временных масштабах, использовалась техника umbrella sampling coupled with Hamiltonian replica exchange.
  • Исследование было бы невозможно без суперкомпьютерных ресурсов XSEDE, в частности систем Stampede2 (TACC) и Bridges (PSC).
  • Программа XSEDE Campus Champion и обучающие курсы помогли исследователям эффективно использовать эти ресурсы.

Значение и перспективы

  • Работа выявляет капсид ВИЧ-1 как новую потенциальную мишень для разработки терапии, что особенно важно в условиях постоянного развития у вируса устойчивости к лекарствам.
  • Исследователи подчеркивают, что суперкомпьютеры позволяют ставить и решать новые фундаментальные биологические вопросы, стремясь «воспроизвести биологию».