Rational design of the zonulin inhibitor AT1001 derivatives as potential anti SARS-CoV-2
European Journal of Medicinal Chemistry 19 Oct 2022
10.1016/j.ejmech.2022.114857
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Facilitating drug discovery against COVID-19
A collaboration between EMBL Grenoble and EBRIS scientists led to the characterisation of a new compound with promising activity against SARS-CoV-2 variants
A collaboration between the Márquez group at EMBL Grenoble and Italian researchers from the European Biomedical Research Institute of Salerno (EBRIS) has led to the development and characterisation of a novel small molecule inhibitor, which shows promising activity against three SARS-CoV-2 variants.
In a publication in the European Journal of Medicinal Chemistry, the scientists describe a generation of compounds that would act against the main protease of SARS-CoV-2. One of these compounds is currently a clinical candidate for the development of an intranasal spray against SARS-CoV-2. Moreover, due to the highly conserved amino acid sequence of the active site of targeted enzymes among coronaviruses, this inhibitor could treat infections from different coronavirus species.
The Italian research group, led by Simone Di Micco, began studying SARS-CoV-2 in early 2020. Already interested in the design of new bioactive molecules, they quickly adapted their previous research on celiac disease towards this new direction. While Di Micco’s team could use in silico methodology to design new compounds that would target one of the key enzymes of the virus, they didn’t have a way to figure out the real-life binding interactions between the molecules and their biological target.
Structural biology is an essential discipline in molecular biology used in drug development. By obtaining the atomic structure of a molecule interacting with its biological target, structural biologists can give important insights about its mode of binding and use this information to design new molecules with improved affinity and specificity. The fully-automated X-ray crystallography pipelines developed and operated jointly by EMBL Grenoble and ESRF are especially suited for this, as they allow rapid screening of compound libraries and can be used to identify small molecules that bind the biological target.
However, Di Micco’s group had no prior expertise in structural biology, nor the equipment to perform the experiments. It was at this point that Di Micco attended a webinar hosted by Instruct-ERIC, a structural biology research infrastructure that supports European researchers by providing them with access to high-end technologies and methods.
José Márquez, Head of the Crystallisation Facility at EMBL Grenoble, was one of the speakers and presented the automated protein-to-structure pipelines they developed in Grenoble based on the CrystalDirect™ technology and the CRIMS software. “I contacted the Márquez lab after the workshop and this is how our collaboration began,” said Di Micco.
Besides delivering high-quality science, EMBL’s structural biology services support the external research community across Europe by offering a range of approaches and infrastructures often based on unique technologies developed at EMBL.
The High-Throughput Crystallisation Laboratory (HTX Lab), operated by the Márquez team, is one of the most important facilities for high-throughput nano volume and crystallisation screening in Europe. These pipelines use the CrystalDirect™ technology for automated crystal harvesting and cryocooling. They combine this approach with the use of EMBL’s Crystallographic Information Management System (CRIMS), a web-based software suite providing interfaces for online design and evaluation of crystallographic experiments, with real-time access to results and experimental parameters.
With this system, scientists all over the world can mail in their samples and follow each step from the crystallisation to X-ray diffraction experiments and structure solution, obtaining the information needed remotely. “This is what makes HTX Lab different from other laboratories that perform crystallography,” said Rahila Rahimova, a postdoctoral fellow in the Márquez Team.
Rahimova, together with research technician Léa Mammri and José Márquez, supported Di Micco with their expertise in structural biology and biophysical methods, and performed X-ray crystallography studies to characterise the molecular interaction between the new compound and the SARS-CoV-2 main protease.
This interdisciplinary collaboration soon yielded results. The structural studies performed at EMBL Grenoble revealed how the compound binds to and inhibits the SARS-CoV-2 main protease, which is essential for the virus life cycle. Moreover, this provided important feedback to the Di Micco group who could then use it to further refine the drug design process. This resulted in a compound with very low cellular toxicity, reducing the risk of side effects.
“I would like to stress the importance of collaboration in science. In our case, it was also possible to obtain access to EMBL Grenoble facilities, services, equipment, and expertise thanks to ISIDORe.” said Di Micco. The Integrated Services For Infectious Disease Outbreak Research (ISIDORe) provides scientists studying infectious disease with access to European facilities, services, equipment, and expertise.
This research also ties into the Infection Biology transversal theme, part of EMBL’s 2022-26 Programme ‘Molecules to Ecosystems’. This theme aims to contribute to research on infectious diseases and the biology of their mechanisms, diagnostics, and treatment.
The next step for Di Micco is to test this molecule in a clinical trial, since this compound could pave the way towards the development of new treatments against COVID-19. “The infection’s highest concentration is in the nose at the beginning: before it goes to the upper airways and then in the lungs. An intranasal spray would simplify the administration of drugs without the assistance of nurses or doctors, or the need to go to the hospital,” he said.
Facilitare la scoperta di farmaci contro il COVID-19
Una collaborazione tra l’EMBL di Grenoble e gli scienziati dell’ EBRIS ha portato alla caratterizzazione di un nuovo composto con un’attività promettente contro le varianti del SARS-CoV-2
Una collaborazione tra il gruppo di Márquez dell’EMBL di Grenoble e i ricercatori italiani dello European Biomedical Research Institute of Salerno (EBRIS) ha portato allo sviluppo e alla caratterizzazione di una piccola molecola ad attività inibitoria, che mostra una buona efficacia contro tre varianti del SARS-CoV-2.
In una pubblicazione sull’European Journal of Medicinal Chemistry, gli scienziati hanno descritto un gruppo di composti che agirebbero contro la proteasi principale del SARS-CoV-2. Uno di questi composti è attualmente in fase di sperimentazione per lo sviluppo di uno spray intranasale contro SARS-CoV-2. Inoltre, grazie alla sequenza aminoacidica altamente conservata del sito attivo delle proteasi dei coronavirus, questo inibitore potrebbe agire contro le infezioni da diverse specie di coronavirus.
Il gruppo di ricerca italiano, guidato da Simone Di Micco, ha iniziato a studiare SARS-CoV-2 all’inizio del 2020. Già interessati alla progettazione di nuove molecole bioattive, hanno rapidamente adattato la loro precedente ricerca sulla celiachia a questa nuova direzione. Sebbene il team di Di Micco fosse in grado di progettare in silico nuovi composti in grado di colpire uno degli enzimi chiave del virus, le tecnologie a loro disposizione non consentivano di studiare le interazioni tra le molecole e il loro bersaglio biologico.
La biologia strutturale è una disciplina essenziale della biologia molecolare utilizzata nello sviluppo di farmaci. Ottenendo la struttura atomica di una molecola che interagisce con il suo bersaglio biologico, i biologi strutturali possono fornire importanti indicazioni sulle sue modalità di legame e utilizzare queste informazioni per progettare nuove molecole con maggiore affinità e specificità. I processi di cristallografia a raggi X completamente automatizzati, sviluppati e gestiti congiuntamente dall’EMBL di Grenoble e dall’ESRF, sono particolarmente adatti a questo scopo, in quanto consentono uno screening rapido di numerosi composti per identificare le molecole che si legano ad un determinato bersaglio biologico.
Il gruppo di Di Micco non aveva precedente esperienza in biologia strutturale, né le attrezzature per eseguire gli esperimenti. Di Micco ha dunque partecipato a un webinar organizzato da Instruct-ERIC, un’infrastruttura di ricerca in biologia strutturale che sostiene i ricercatori europei fornendo loro l’accesso a tecnologie e metodi di alto livello.
José Márquez, responsabile della struttura di cristallizzazione dell’EMBL di Grenoble, era uno dei relatori e ha presentato le pipeline automatizzate da proteina a struttura sviluppate a Grenoble sulla base della tecnologia CrystalDirect™ e del software CRIMS. “Ho contattato il laboratorio di Márquez dopo il workshop ed è così che è iniziata la nostra collaborazione”, ha detto Di Micco.
Oltre a produrre dati scientifici di alta qualità, i servizi di biologia strutturale dell’EMBL sostengono la comunità scientifica in tutta Europa offrendo una serie di approcci e infrastrutture spesso basati su tecnologie uniche sviluppate all’EMBL.
Il laboratorio di cristallizzazione ad alto rendimento (HTX Lab), gestito dal team di Márquez, è una delle strutture più importanti in Europa per lo screening ad alto rendimento di nano volumi e cristallizzazioni. Queste pipeline utilizzano la tecnologia CrystalDirect™ per la raccolta e il raffreddamento automatico dei cristalli. L’approccio viene combinato all’uso del Crystallographic Information Management System (CRIMS) dell’EMBL, un software che fornisce interfacce per la progettazione e la valutazione online degli esperimenti cristallografici, con accesso in tempo reale ai risultati e ai parametri sperimentali.
Con questo sistema, gli scienziati di tutto il mondo possono spedire i loro campioni e seguire ogni fase, dalla cristallizzazione agli esperimenti di diffrazione dei raggi X e alla soluzione della struttura, ottenendo le informazioni necessarie a distanza. “Questo è ciò che rende l’HTX Lab diverso dagli altri laboratori che eseguono cristallografia”, ha dichiarato Rahila Rahimova, ricercatrice postdoc del team Márquez.
Rahimova, insieme al tecnico di ricerca Léa Mammri e a José Márquez, ha supportato Di Micco grazie alla sua esperienza in biologia strutturale e in metodi biofisici, e ha eseguito studi di cristallografia a raggi X per caratterizzare l’interazione molecolare tra il nuovo composto e la proteasi principale del SARS-CoV-2.
Questa collaborazione interdisciplinare ha dato presto i risultati sperati. Gli studi strutturali eseguiti all’EMBL di Grenoble hanno rivelato come il composto si leghi e inibisca la proteasi principale del SARS-CoV-2, essenziale per il ciclo vitale del virus. Il gruppo di Di Micco ha utilizzato queste informazioni per affinare ulteriormente il processo di progettazione del nuovo composto bioattivo. Il risultato è stato una molecola con una tossicità cellulare molto bassa, che ha ridotto il rischio di effetti collaterali.
“Vorrei sottolineare l’importanza della collaborazione nella scienza. Nel nostro caso, grazie a ISIDORe è stato possibile ottenere l’accesso alle strutture, ai servizi, alle attrezzature e alle competenze dell’EMBL di Grenoble” ha dichiarato Di Micco. L’Integrated Services For Infectious Disease Outbreak Research (ISIDORe) offre agli scienziati che studiano le malattie infettive l’accesso a strutture, servizi, attrezzature e competenze europee.
Questa ricerca si inserisce anche nel tema trasversale Infection Biology, che fa parte del programma 2022-26 dell’EMBL “Molecules to Ecosystems”. Questo tema mira a contribuire alla ricerca sulle malattie infettive e sulla biologia dei loro meccanismi, della diagnostica e del trattamento.
Il prossimo passo di Di Micco è testare questa molecola in uno studio clinico, poiché questo composto potrebbe aprire la strada allo sviluppo di nuovi trattamenti contro la COVID-19. “La concentrazione più alta dell’infezione si trova nel naso all’inizio, prima che passi alle vie aeree superiori e poi ai polmoni. Uno spray intranasale semplificherebbe la somministrazione di farmaci senza l’assistenza di infermieri o medici, o la necessità di andare in ospedale”, ha detto.
