Dossier Covid-19

De uitbraak van het coronavirus Covid-19 is officieel een pandemie. Maar de geschiedenis heeft ons geleerd dat juist op die momenten de mensheid tot creatieve oplossingen komt. Daarover bericht Innovation Origins dagelijks in het Dossier Covid-19.

Op zijn vroegst volgend jaar zou er volgens medische kringen een vaccin tegen het nieuwe coronavirus beschikbaar moeten zijn. En dat kan alleen als alles goed gaat, want normaal gesproken duurt het tot 15 jaar vanaf het begin van de ontwikkeling tot aan de goedkeuring van een vaccin. Een groot probleem bij de ontwikkeling van nieuwe geneesmiddelen is de selectie van alle beschikbare stoffen totdat de geschikte zijn geïdentificeerd. Daarom is dit proces zo langdurig en kan het miljarden euro’s kosten.

Eiwitten van corona blokkeren

Een internationaal team van onderzoekers van de Freie Universität Berlin en de Technische Universität Berlin is er nu in geslaagd een platform te ontwikkelen dat in zeer korte tijd miljarden potentiële actieve ingrediënten kan onderzoeken. Die zouden de corona-eiwitten moeten blokkeren.

In het algemeen is medicijnonderzoek gebaseerd op een soort van lock-and-key principe. De zogenaamde kleine moleculen (sleutels) passen in een specifieke bindingsplaats (slot) van het ziekteverwekkende eiwit en schakelen het dus uit. Het probleem met dit principe is echter dat er potentieel een enorm aantal min of meer goed passende sleutels (kleine moleculen) is dat de basis zou kunnen vormen voor een nieuw medisch middel. Die sleutels moeten daarom in principe allemaal worden getest. Met behulp van computersimulaties kunnen deze kostbare laboratoriumexperimenten echter worden vervangen. Het hele proces kan daardoor aanzienlijk worden versneld.

Computersimulatie in plaats van laboratoriumexperimenten

“In een computersimulatie kunnen we het vermogen van een klein molecuul om zich te binden aan een ziekteverwekkend eiwit – ook wel ‘docking’ genoemd – testen”, legt Christoph Gorgulla uit, die aan de FU Berlijn promoveerde. “Als je dit met veel kleine moleculen doet, noemen we dit virtueel screenen. Deze aanpak bestaat al, maar tot nu toe kon slechts een relatief klein aantal kleine moleculen routinematig worden getest in dergelijke virtuele screenings.

Daarom zochten de onderzoekers naar een manier om aanzienlijk meer kleine moleculen virtueel te screenen dan voorheen mogelijk was. “We waren niet alleen geïnteresseerd in het klassieke onderscheid tussen ‘past’ en ‘past niet’, maar ook in ‘past beter’ en ‘past slechter’. Deze zogenaamde bindingssterkte is een van de belangrijkste eigenschappen van actieve stoffen”, benadrukt Gorgulla.

Het team heeft daarom een van ‘s werelds grootste molecuulbibliotheken van dockingmoleculen gecreëerd door de driedimensionale geometrie van meer dan 1,4 miljard kleine moleculen te berekenen en vast te leggen in een database die door onderzoekers over de hele wereld kan worden gebruikt. Het onderzoeksteam heeft ook het platform “Virtual Flow” ontwikkeld. Hierdoor kunnen miljarden kleine moleculen door middel van computersimulatie parallel worden getest op hun vermogen om zich in korte tijd aan een specifiek eiwit te binden.

Supercomputer

“In plaats van op een gewone computer draait ‘VirtualFlow’ op supercomputers met vele duizenden processoren. Het werkt ook op internetclouds”, zegt Dr. Konstantin Fackeldey, privédocent aan het Instituut voor Wiskunde aan de TU Berlijn. “We hebben bijvoorbeeld VirtualFlow getest op het cloudplatform van Google met maximaal 160.000 processoren.

“Virtual Flow” houdt zelfs rekening met een extra complexiteit, zeggen de wetenschappers: “Eiwitten zijn mobiel, zodat de specifieke, driedimensionale bindingsplaats van de kleine moleculen op een eiwit ook onder bepaalde omstandigheden kan veranderen. Met deze potentiële mobiliteit van de bindingsplaatsen wordt rekening gehouden in de wiskundige simulatie.

De Berlijnse onderzoekers worden ondersteund door Google. Het bedrijf heeft hen al extra middelen ter beschikking gesteld om met behulp van zijn cloud computing-platform te zoeken naar mogelijke kandidaten voor actieve stoffen tegen het coronavirus. “Hoewel virtuele screenings zeer snel kunnen zijn, verwachten we niet dat deze aanpak op korte termijn tot een goedgekeurde werkzame stof zal leiden”, benadrukt Konstantin Fackeldey. “Maar deze screenings kunnen de zoektocht naar potentiële actieve ingrediënten veel beter begeleiden. Uiteindelijk vereist de goedkeuring van een geneesmiddel echter altijd laboratoriumexperimenten en klinische studies, die relatief veel tijd in beslag nemen. “VirtualFlow” is beschikbaar als een gratis open source platform voor alle wetenschappers wereldwijd.