La fuerza mecánica de la unión de la espícula de SARS-CoV-2 al receptor humano ACE2

Por Francisco R. Villatoro, el 2 octubre, 2020. Categoría(s): Biología • Bioquímica • Ciencia • Mecánica • Nanotecnología • Noticias • Science • Virología ✎ 14

Un método para cuantificar la intensidad de la unión entre dos proteínas es estudiar cuánto resiste a una fuerza mecánica constante. Se publica en bioRxiv esta medida para la unión entre la espícula de los coronavirus SARS-CoV-2 y SARS-CoV-1 con el receptor humano ACE2 de la membrana de la célula hospedadora. En ausencia de fuerza, se estima que la unión tiene una vida media ~400–800 segundos para SARS-2, pero solo ~20 segundos para SARS-1. El umbral de fuerza para romper la unión a hACE2 es 1.7 veces mayor para SARS-2 que para SARS-1; además, el cambio de energía libre en transición de la unión de estado cerrado a abierto es 2.3 veces mayor; por tanto, la estabilidad mecánica de la unión es mucho mayor para SARS-2. Resulta fascinante que se puede medir la fuerza mecánica entre macromoléculas en la nanoescala y que en un futuro se evalúe la eficacia de fármacos que inhiban o dificulten la unión usando este método.

Los sarbecovirus (coronavirus tipo SARS) se unen al receptor hACE2 mediante el dominio de unión al receptor (RBD). En los experimentos se han usado enlaces flexibles de polipéptidos de tipo elastina (ELP, por Elastin-Like Polypeptide) para unir la hACE2 (o el RBD) al sustrato y al RBD (o a la hACE2); y un enlace de biotina-estreptavidina para unir el RBD (hACE2) a una «esfera» magnética que está acoplada al electroimán que se usa como sensor magnético. Se han aplicado fuerzas entre 2 y 7 pN (piconewton); se parte de un estado inicial cerrado, se aplica la fuerza constante durante cierto tiempo, con lo que la unión transita de forma estocástica entre los estados abierto y cerrado gracias al ELP que une la ACE2 y el RBD, y se mide la fracción de tiempo que pasa la unión en estado cerrado. La fuerza umbral F1/2 es la necesaria para que la unión esté la mitad del tiempo en estado cerrado (y la otra mitad en estado abierto). Para el experimento con hACE2 ligada al sustrato, la fuerza para el RBD de SARS-2 es F1/2 = 5.7 ± 1.2 pN y para el de SARS-1 es F1/2 = 3.3 ± 0.4 pN; la distancia Δz entre ambos estados en la dirección vertical es Δz = 12.0 ± 2.2 nm (SARS-2) y Δz = 9.4 ± 1.9 nm (SARS-1); y el cambio en energía libre de Gibbs ΔG0 = F1/2 Δz = 10.1 ± 2.8 kcal/mol (SARS-2) y ΔG0 = 4.4 ± 1.0 kcal/mol (SARS-1).

El artículo es Magnus S. Bauer, Sophia Gruber, …, Jan Lipfert, «A Tethered Ligand Assay to Probe the SARS-CoV-2 ACE2 Interaction under Constant Force,» bioRxiv preprint 315796 (28 Sep 2020), doi: https://doi.org/10.1101/2020.09.27.315796; también cito Mahdi Ghorbani, Bernard R. Brooks, Jeffery B. Klauda, «Exploring dynamics and network analysis of spike glycoprotein of SARS-COV-2,» bioRxiv preprint 317206 (28 Sep 2020), doi: https://doi.org/10.1101/2020.09.28.317206; y Jiahao Ma, Danmei Su3, …, Sanduo Zheng, «Cryo-EM structure of S-Trimer, a subunit vaccine candidate for COVID-19,» bioRxiv preprint 306357 (21 Sep 2020), doi: : https://doi.org/10.1101/2020.09.21.306357.

Fuente: bioRxiv (2020) doi: https://doi.org/10.1101/2020.09.27.315796

Lo que se mide en los experimentos es la distancia entre el RBD y el receptor hACE2 durante ~90 segundos. Esta figura para el experimento ACE2-linker-RBD de SARS-2 (donde la ACE2 está ligada al sustrato y el RBD conectado al sensor magnético) muestra los resultados medidos para tres fuerzas aplicadas, en concreto, 6.1, 6.5 y 7.0 pN; los resultados son estocásticos, pero se observa en el histograma para 6.1 pN que domina el estado cerrado (verde oscuro), en el de 7.0 pN que domina el estado abierto (naranja) y en el de 6.5 pN que ambos estados están bastante igualados (verde claro).

Fuente: bioRxiv (2020) doi: https://doi.org/10.1101/2020.09.27.315796

Esta figura (también para los experimentos tipo ACE2-linker-RBD) compara los resultados para SARS-1 (arriba) y SARS-2 (abajo) para tres fuerzas aplicadas; la F1/2 se determina usando la fracción de tiempo que el estado es abierto durante la ventana de tiempo de ~120 segundos.

Fuente: bioRxiv (2020) doi: https://doi.org/10.1101/2020.09.27.315796

Esta tabla resume todos los resultados para los experimentos ACE2-linker-RBD y RBD-linker-ACE2 para SARS-2, y ACE2-linker-RBD y ACE2-long-linker-RBD para SARS-1 (el número de aminoácidos del ELP entre ACE2 y RBD es de 85 aa para linker y de 115 aa para long-linker). Sin entrar en discutir los detalles, se observa que la unión es más fuerte entre SARS-2 y hACE2, por ello su vida media en ausencia de fuerza aplicada es mucho mayor; en concreto, en el caso de SARS-2 se estima 435 ± 493 s para ACE2-linker-RBD y 797 ± 907 s para RBD-linker-ACE2, lo que en el resumen y en las conclusiones se escribe como ~400–800 segundos. En el caso de SARS-1 la vida media de la unión en ausencia de fuerzas es de 22 ± 49 s para ACE2-linker-RBD y de 14 ± 7 s para RBD-linker-ACE2, lo que en el resumen y en las conclusiones se escribe como ~20 segundos.

Fuente: bioRxiv (2020) doi: https://doi.org/10.1101/2020.09.28.317206

Hay otra manera de determinar la fuerza mecánica de la unión entre el RBD de la espícula y el receptor hACE2, el uso de simulaciones por ordenador mediante dinámica molecular (como bioRxiv preprint 317206). Para mi sorpresa no he visto estudios que cuantifiquen esta fuerza mecánica, así que habrá que esperar a que se publiquen para compararlos con los resultados experimentales. El uso de una versión soluble de la espícula (trímero de la proteína espicular) como vacuna ha sido propuesto en varios artículos (como bioRxiv preprint 306357); podría ser una vía más directa que usar un virus (adenovirus recombinante) para vehicular la espícula y provocar una respuesta del sistema inmune. La cuantificación de la fuerza de la unión del RBD a los receptores del sistema inmunitario que reconocen patrones en patógenos podría ser de utilidad en su desarrollo. Sin lugar a dudas, la medida de fuerzas mecánicas en la nanoescala tiene aplicaciones muy prometedoras en la batalla biomédica contra el coronavirus.



14 Comentarios

  1. Hola, Francis:
    A razón de la vacuna del coronavirus quería preguntarte si estás al tanto de la utilización de una sustancia que se encuentra en el hígado de los tiburones y es necesaria para producirla (entre otras vacunas), y que debido a esto se van a tener que matar miles de estos. Ha aparecido en los medios, ¿qué hay de cierto en todo esto?
    Gracias

  2. Este interesante post me ha recordado al famoso artículo de Kristian G. Andersen y colaboradores publicado en Nature Medicine en marzo pasado bajo el título «The proximal origin of SARS-CoV-2» donde podía leerse que si bien lo estudios estructurales y los experimentos bioquímicos parecían indicar que este coronavirus se une con una afinidad alta a ACE2 en humanos, hurones, gatos y otras especies con un receptor similar, «los análisis computacionales predicen que la interacción no es la ideal y que la secuencia del RBD difiere de la encontrada en SARS-CoV como óptima para la fijación al receptor». Por lo tanto, concluyen los autores de ese artículo, «la elevada afinidad de unión de la proteína S a ACE2 es más probablemente resultado de la selección natural» y constituye «una fuerte evidencia de que SARS-CoV-2 no es un producto de una manipulción intencionada».

    En posteriores indagaciones he leído que este coronavirus se fija a su receptor entre 10 y 20 veces mejor que el del SARS-1, un dato que lo descrito en este post parece venir, más o menos, a corroborar. Así, «en ausencia de fuerza, se estima que la unión tiene una vida media ~400–800 segundos para SARS-2, pero solo ~20 segundos para SARS-1» y que «la fuerza para el RBD de SARS-2 es F1/2 = 5.7 ± 1.2 pN y para el de SARS-1 es F1/2 = 3.3 ± 0.4 pN.»
    Para no ser la óptima, la afinidad del RBD del SARS-CoV-2 a ACE2 sí que parece suficientemente buena como para duplicar, al menos, a la del SARS-1.

    Hay un dicho popular que afirma que «lo mejor es enemigo de lo bueno». Si Andersen y su grupo pretenden convencer con sus argumentos de que este coronavirus es natural porque si fuera manufacturado tendría una capacidad de fijación al receptor mucho más elevada conforme predicen los modelos «in silico», creo que se equivocan. SARS-CoV-2 es muy bueno desde que se adhiere a las células de la rinofaringe hasta que se disemina por los pulmones y más allá. Que estas características sean naturales o no, no pueden dilucidarse con los argumentos del artículo de Andersen.

    En un trabajo del pasado mes de agosto titulado «Retrouver les origines du SARS-COV-2 dans les phylogénies de coronavirus», publicado en «Médecine/sciences 2020 ; 36 : 783-96» y de fácil localización en ResearchGate, un grupo de investigadores franceses encabezados por Erwan Sallard abordan ese dilema con encomiable honestidad. En el resumen de su versión en inglés concluyen diciendo que «based on available data, it is currently impossible to firmly assert whether SARS-CoV-2 results from a natural zoonotic emergence or from an accidental escape of a laboratory strain».

    1. Paco, no entiendo tu cherry picking en este comentario. Primero citas un artículo de marzo de la prestigiosa revista Nature Medicine (IF = 36.130, 2/138 en JCR 2020) y lo descartas; luego citas un artículo de agosto de la revista médecine/sciences (IF = 0.692, 133/138 en JCR 2020) y confías a ciegas en él. ¿Por qué obivas todos los restantes artículos que apoyan el origen zoonótico del coronavirus?

      Allá tú, pero no quiero que los lectores legos de este blog se vean confundidos y engañados por tu comentario. Lo siento, no aceptaré más comentarios con cherry picking de este tipo.

      Recomiendo a todos leer mi pieza: «La filogenia molecular de los sarbecovirus», LCMF, 31 Jul 2020; https://francis.naukas.com/2020/07/31/la-filogenia-molecular-de-los-sarbecovirus/

      1. Estimado Francis. Yo no trato de confundir ni de engañar. Mi comentario es noble y está expresado con claridad. Cualquiera que lo lea sin prejuicios encontrará los fallos por sí mísmo. Pueden opinar aquí y desacreditarme razonadamente. Ni refuto el artículo de Nature ni confío a ciegas en el de los franceses. Sencillamente trato de pensar y pongo unas citas que pueden leerse y discutirse. Mis pesquisas me han ido llevando a mantener un escepticismo sano con respecto al orígen del SARS-CoV2. Creo que estoy en mi derecho. En cuanto encuentre datos inequívocos de un orígen zoonótico genuino -como la detección de un virus con una identidad del 99.5% en, pongamos, conejos de monte vendidos en el mercado de Wuhan- entonces la discusión se habrá terminado. Y me dará igual en qué revista aparezca publicado ese hallazgo siempre que las pruebas que aporte sean verdaderas, sólidas y contrastables. Mientras tanto es científico mantener abiertas todas las posibilidades que no sean descabelladas ni atenten contra el pensamiento lógico y racional, ¿no te parece?. Un saludo.

        1. Paco, tu frase «mientras tanto es científico mantener abiertas todas las posibilidades» contradice tu cherry picking. Un argumento de tipo A no, porque no, y B sí, porque sí, no es un argumento válido si existen C, D, E, … El cherry picking es un método usado para engañar, siempre.

          1. Preferiría que usaras la expresión «falacia de evidencia incompleta» o «sesgo de confirmación» en vez de la expresión inglesa que yo desconocía. Como tal falacia, puede inducir a engaño, pero sólo a los no avezados. Por ejemplo, a tí no te ha engañado. No se si a otros lectores les ha podido pasar. Aquí tienen la oportunidad de expresarse a ese respecto. Pero, repito, mi intención no era confundir ni engañar, sino abrir más posibilidades de pensamiento. A mí no se me ocurriría decirte, por ejemplo, que hayas podido incurrir en un caso de «argumentum ad verecundiam» o falacia de autoridad, al citar a Nature en detrimento de la revista francesa. Yo me he leído los dos artículos en pie de igualdad, entresacando de cada uno de ellos lo que me parecía coherente y criticando lo que no. La ciencia no es una cuestión de fe sino de una busqueda de explicaciones verosímiles a los hechos naturales. En ese proceso, mientras no se desbarre ni se pervierta la racionalidad ni la lógica, cabemos todos. Y que conste que te estoy agradecido por dejarme comentar aquí. Estoy aprendiendo cosas y, espero, haciéndoselas aprender a otros. Un cordial saludo.

          2. Me encanta tu pagina es un tesoro de conocimiento entre tanta ignorancia y pseudociencia que inunda internet, te pido que no censures comentarios como los de paco porque a consecuencia comentarios que difieren y muestran puntos de vista validos, estemos de acuerdo o no, se puede generar discusiones enriquecedoras, ademas de que paco ha citado fuentes , en fin te felicito por la pagina saludos!

  3. Excelentes todas tus reseñas dando seguimiento a las investigaciones sobre el nuevo coronavirus, Francis, muy agradecido por tu magnifico blog. Igualmente Paco gracias por tus interesantes comentarios e información adicional, pienso que tienes razón en que cada lector (sobre todo lectores de un blog como este donde se presenta tanta información de carácter científico y técnico) puede tener el suficiente nivel intelectual para formarse su propia opinión critica y de análisis, indagando mas en los artículos o fuentes originales reseñados, y como bien dice Francis y nos recuerda muchas veces, ciertas informaciones y conclusiones de estudios experimentales o teóricos deben ser «tomados con pinzas». Saludos.

  4. El debate entre Paco y DR. Villatoro es muy enriquecedor. Es todo lo que voy a decir.
    Hmmm, no, si no lo digo, reviento.Sigo.
    Pseudociencia es cuando se tiene «en mente» una idea y «torturas los datos» o le «buscas tres pies» para que se adapten a tus ideas pre concebidas. Como decía Demóstenes » estamos dispuestos a creer aquello que anhelamos».
    Yo, con 25 años de edad, llegué a llevar un micrófono oculto y una cámara de TV en un programa de canal 9 para descubrir a falsos médicos, dewcubriendo fraudes y pseudociencias, que «curaban con imposicion de manos» elcáncer o que «curaban con extractos vegetales de hoja de caquilero» todo tipo de enfermedades. Iba con el lanzallamas y exponiamos los casos de fraudes y curanderos. Ahora me lo tomo con mas calma y dudo de todo. No soy mas sabio, soy mas viejo y mas tonto. Degenración de la corteza pre frontal y moria asociada.
    Ciencia es ser completamente aséptico en el enfoque de la informacion y leer de todo y a todos, buscando con honestidad la verdad. Sin ideas preconcebidas y con absoluta neutralidad.
    Yo era ( digo «era») muy fan de los alumnos de Baltimore ( no es sólo una ciudad USA, es tambien un Científico, David Baltimore, Premio Nobel, por cierto) . Y sigo creyendo que lo mas plausible es una zoonosis. Un origen «natural» de un virus RNA con una proof reading muy extraña, ya que se comporta mas como virus DNA que como virus RNA y de hecho a día de hoy pregunten cuantas cepas ( «strains») hay. Ninguna reconocida por comités de Virólogos. El SARS Co V2 se comporta mas como un virus DNA , y muta «relativamente» poco ( si lo comparamos con ortomixovirus, por ejemplo ú otros virus RNA).
    Tiene un genoma muy compacto de 30,000 pares de bases y con muchas lagunas o zonas de sombra. Me refiero a criterios clínicos, que son los que me interesan.
    Ahora, cada vez tengo las cosas menos claras, en todo. Y dudo de todo.Insisto, dudo de todo. En el manejo CLINICO de enfermos CoVID19 hemos tenido casos de pacientes que daban dos pruebas negativas de RT-PCR a tiempo real y ´solamente a la tercera han dado positivo ( mas los criterios exclusivamente clínicos que confirmaron la enfermedad). Es un detalle irrelevante, simplemente una muestra de que sobre éste sarbecovirus aún hay mucho por descubrir, mucho , en su patogenia,en sus pródromos, en sus fenómenos de «up regulation» ( sI es que los hay), en muchos campos sigue sIendo una incógnita. He leído artículos en los que se atreven incluso a concretar el número de viriones necesarios para producir la enfermedad, lo cual me parece muy arriesgado.De hecho, ni siquiera voy a nombrar ni el número de supuestos viriones, ni el artículo.
    En Epidemilología hay dos axiomas básicos para establecer la génesis de una enfermedad. No, relax y no sweat, no voy a decir la estupidez esa de los negacionistas de que el SARS-CoV 2 no cumple los » postulados de Koch», tranquilos.Me refiero fundamentalmente a criterios epidemiológicos claros.
    1. ¿Quien fue el paciente cero?
    2. ¿Cual es la especie intermedia entre el murciélago de herradura y la especie humana.?

    El que , a dia de hoy no sepamos estas cosas tan básicas, hace que se especule quizás demasiado. Hace falta mas tiempo. Mas estudios y muchas teorías conspirativas se irán diluyendo por los avances de la ciencia. Y no pueden ser tomadas en serio, al menos no por mi parte. Para mí es un origen zoonótico, con un vector intermedio aún por descubrir.

    Tampoco entiendo a los que meten baza con pruebas claramente manipuladas como los de The Rule of Law Society,porque parten de un axioma falso diciendo que el esqueleto sobre le cual se manipuló geneticamente son los coronavirus banales y que el virus Rtg13 no existe.
    Para ellos el virus no existe porque les estropea sus atrevida teoría de la manipulación.Period.
    Eso es pseudociencia y por eso el paper de éstos no ha sido aceptado en ninguna revista.
    Tampoco acepto escándalos como Surgisphere Scandal: una tremenda decepción de la revista lancet y d elas mafias de las revistas cientificas.

    1. Gracias por tu comentario. Por alusiones querría intervenir añadiendo un nuevo enfoque al debate.
      Fue el filósofo Leibniz quien inventó una manera de resolver una disputa pasando por encima del método clásico de argumentar y replicar. Cuando se veía en una situación de este tipo decía simplemente: «Calculemos». A este curioso método de enfrentar dos posturas lo llamó «characteristca universalis» o «calculus ratiocinator».
      En la disputa sobre el orígen del actual coronavirus y con objeto de no caer en extrañas teorías de la conspiración, podríamos remedar al filósofo y tratar de utilizar su método, o un método análogo, para responder a la pregunta siguiente: «¿Qué posibilidades tiene Sars-CoV-2 de ser un virus que no se deba al azar?».
      Para ello he coleccionado la mayor cantidad de sarbecovirus que he podido encontrar en la bibliografía disponible. En total he analizado la proteína S de 67 virus: 58 de murciélago, 6 de pangolin, 1 de civeta, el del SARS de 2002-2003 y el virus atual.
      Para un elemental estudio de probablidades he seleccionado tres características de la proteína S del actual virus que me han parecido relevantes: 1. La secuencia PRRA, básica en la adhesión y virulencia del Sars-CoV-2. 2. La presencia de un motivo RGD susceptible de ser capaz de unirse a integrinas celulares, y 3. La secuencia QTQTN, previa a la mencionada en primer lugar, ya que se ha encontrado que ambas regiones son inestables en el genoma de este virus y tienden a perderse en sucesivos pases por células Vero E6.
      Pues bien, la primera característica es exclusiva de este virus -probablidad de presentación 1/67, o sea 0.0149.
      La segunda sólo está en este virus y en uno de pangolin -probabilidad 2/67, o sea 0.0298.
      La tercera está presente en este virus, en uno de pangolin y en el virus de murciélago RaTG13 -probabilidad 0.0447.
      En conclusión, la probablidad de que un determinado virus de los analizados tenga, a la vez, las tres características, es el resultado de multiplicar las tres posibilidades parciales citadas, es decir, 0.000019. En tanto por ciento sería la exigua cifra de 0.0019. Esta sería, si mis cálculos no son falaces,la probablidad de que del conjunto de los coronavirus recolectados hasta la fecha emerja uno con las tres características del Sars-CoV-2 citadas. Aunque es de suponer que existirán muchísimos coronavirus sin descubrir, con los datos disponibles a día de hoy, las tres características resaltadas del virus pandémico actual resultan dificiles de explicar por puro azar.

      1. Paco, me has dejado de piedra. Reconozco tu intelecto superior al mio y , con franqueza, me esperaba que ibas a ser tambien políticamente correcto, (como yo !) .
        Lo que yo piense en privado, a mis muchos años, no le interesa a nadie.

        Leibnitz y tus razonamientos me superan. Pero hay un refrán que dice «Si anda como un pato, nada como un pato y vuela como un pato… es un pato».
        No es científico, ni correcto, es sólo un dicho.
        Las opciones conspiratorias hay que probarlas . Es como un proceso penal, lo que no puedas probar, no existe.

        Si tuviese que empezar mi vida de nuevo, con 22 años y recien terminada la carrera, pues me adaptaría a la mayoria de los científicos: es una zoonosis and dont worry, be happy. si no lo haces asi, despídete de hacer una carrera centífica en condicones, y menos en un mundo globalizado. Luc Montagner chochea con 87 años, y el Premio Nobel se lo dieron por chamba.

        1. Muchas gracias por tus apreciaciones. Yo no soy conspirativo sino simplemente escéptico. Y por supuesto que se trata de una zoonosis. Todo el rato he estado hablando de coronavirus de divesas especies de animales. Lo único que digo es que se me hace muy cuesta arriba pensar que Sars-CoV-2 ha aparecido como un proceso de recombinación natural al azar. Se trata de un virus muy especial con una historia rara y llena de coincidencias sospechosas. En cualquier caso las conspiraciones son, por definición, indemostrables.No aspiro a eso porque no se puede. Mi ambición es mucho más modesta. Consiste en generar un debate constructivo basado en la lógica que permita aclarar el tema del origen de este virus, si ello es posible y se considera pertinente. Y no te preocupes por mi carrera. Ha sido bastante satisfactoria y, en cualquier caso, ya pertenece al pasado.

          1. PACO:He debido de expresarme mal y lo aclaro.
            Lo del comerauo sobre el prof. Luc Montagnier iba con sordina, porque hizo unos comentarios sobre 4 regiones de «su virus» ( el del HIV que el descubrió en 1983) y que supuestamen habian sido insertadas en el genoma del SARS-CoV´-2.La histria la conoces de sobra y no me extiendo, el paper de los autores indios lo retiraron porque no habia sido corregido por pares.

            Lo de » si tuviera 22 años…» no iba por Vd., sino por mi.
            El resto de la discusion me parece muy interesante. En realidad, si hubo algo, nunca lo sabremos pues bien que se limpió la escena del crimen.

            Por ejemplo: no me creo que EN TODA LA PROVINCIA DE SHANXI no HAYA HABIDO NI UN SOLO MUERTO POR COVID19, SENCILLAMENTE, no me lo creo. Fuente: Jonh Hopkins University; https://coronavirus.jhu.edu/map.html

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