DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-13094-0
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40721940
تاريخ النشر: 2025-07-28
المؤلف: Mehdi Yoosefian وآخرون
الموضوع الرئيسي: أبحاث الزنجبيل وعائلة الزنجبيلية
نظرة عامة
تدرس هذه الدراسة الإمكانيات المضادة للفيروسات للمركبات الفينولية المستمدة من الزنجبيل (Zingiber officinale)، وتحديداً الزنجبيلول، بارادول، وشوجول، ضد البروتياز الرئيسي (Mpro) لفيروس SARS-CoV-2، وهو إنزيم رئيسي في تكاثر الفيروس. باستخدام نهج حسابي متعدد المستويات، استخدمت الأبحاث نظرية الكثافة الوظيفية (DFT) لتقييم الخصائص الكيميائية لهذه المركبات، مما كشف عن شوجول كأكثرها تفاعلاً مع أقل صلابة كيميائية (2.04 eV) وأعلى مؤشر للكهربية (2.83). أظهرت التقييمات الدوائية أن جميع المركبات التزمت بمعايير شبيهة الأدوية وأظهرت سمية منخفضة، حيث أظهر شوجول أفضل ملف ADMET، بما في ذلك عدم وجود آثار متوقعة مسببة للطفرات أو سمية خلوية.
أشارت دراسات الربط الجزيئي إلى أن شوجول كان له أعلى قدرة ربط (-9.95 kcal/mol) مع Mpro، مما شكل تفاعلات مستقرة مع بقايا الموقع النشط الحرجة. وقد تم تأكيد ذلك من خلال محاكاة الديناميكا الجزيئية (MD) لمدة 500 نانوثانية، والتي أظهرت أن مركب شوجول-Mpro حافظ على انحراف متوسط مربع الجذر (RMSD) منخفض وروابط هيدروجينية متسقة، مما يدل على الاستقرار. كما أكدت تحليل المكونات الرئيسية (PCA) على المساحة الشكلية المضغوطة لشوجول، مما يشير إلى تقليل المرونة وزيادة الاستقرار مقارنة بالزنجبيلول وبارادول. بالإضافة إلى ذلك، كشفت حسابات الطاقة الحرة للربط MM-PBSA عن طاقة ربط متفوقة لشوجول (-44.09 kcal/mol)، مما يبرز إمكانيته كمركب رئيسي لتطوير علاجات جديدة تستهدف COVID-19.
طرق
يستعرض قسم “الطرق” تصميم التجربة والمواد المستخدمة في الدراسة. يوضح المنهجيات المحددة المستخدمة لجمع البيانات، بما في ذلك أي بروتوكولات، أدوات، وتقنيات ذات صلة. يبرز القسم أهمية القابلية للتكرار والدقة في إعداد التجربة، مما يضمن إمكانية التحقق من النتائج من خلال الأبحاث المستقبلية.
بالإضافة إلى ذلك، يتم تحديد المواد المستخدمة في الدراسة، بما في ذلك أي كواشف، معدات، أو برامج ضرورية لإجراء التجارب. يسمح هذا الوصف الشامل بفهم واضح لإطار البحث ويسهل إمكانية تكراره من قبل باحثين آخرين في هذا المجال. بشكل عام، تعتبر الطرق المستخدمة ضرورية لتأسيس موثوقية وصلاحية نتائج الدراسة.
نتائج
تكشف نتائج محاكاة الديناميكا الجزيئية التي أجريت على مدى 500 نانوثانية باستخدام GROMACS 2024.5 عن رؤى حاسمة حول الاستقرار الهيكلي والسلوك الديناميكي لمجمعات الربط-Mpro تحت ظروف قريبة من الفسيولوجية. استخدمت المحاكاة، التي تجاوزت توقعات الربط الثابت، مجموعة متنوعة من التحليلات بعد المحاكاة، بما في ذلك انحراف متوسط مربع الجذر (RMSD)، وتقلب متوسط مربع الجذر (RMSF)، ونصف قطر الدوران (Rg)، وتحليل الروابط الهيدروجينية، وتحليل الحد الأدنى من المسافة والاتصال، ومساحة السطح القابلة للوصول للمذيب (SASA)، وتحليل المكونات الرئيسية (PCA). قدمت هذه التحليلات مجتمعة تقييمًا متعدد الأبعاد للتفاعلات بين الربائط—الزنجبيلول، بارادول، وشوجول—وبروتياز SARS-CoV-2 الرئيسي (Mpro)، مما يسهل تقييمًا مقارنًا لاستقرار الربط ويوضح الآليات الجزيئية التي تدعم فعالية المثبطات.
بالإضافة إلى ذلك، تدعم النتائج نتائج الربط الجزيئي، التي تفصل طاقة الربط (BE)، وثابت المثبط (Ki)، وطاقة الجزيئات المتداخلة (IE) لكل ربيط مع Mpro. يبرز التحليل تفاعلات هيدروفوبية وهيدروجينية كبيرة مع بقايا الموقع النشط الرئيسية، مما يساهم بشكل أكبر في فهم فعالية الربائط كمثبطات محتملة لبروتياز SARS-CoV-2 Mpro. يبرز هذا النهج الشامل أهمية المحاكاة الديناميكية في تقييم تفاعلات الربائط وآثارها على تطوير العلاجات.
مناقشة
في هذه الدراسة، تم التحقيق في المركبات النشطة بيولوجيًا من الزنجبيل (Zingiber officinale)، وخاصة الزنجبيلولات، الشوجولات، والبارادولات، لخصائصها المحتملة المضادة للفيروسات ضد SARS-CoV-2. استخدمت الأبحاث نهجًا حسابيًا، بما في ذلك الربط الجزيئي ومحاكاة الديناميكا الجزيئية، لتقييم قدرة الربط لهذه المركبات مع البروتياز الرئيسي لفيروس SARS-CoV-2 (Mpro). من بين المركبات، أظهر شوجول أفضل ملف ربط، مع طاقة ربط حرة دنيا تبلغ -9.95 kcal/mol وتفاعلات كبيرة مع بقايا التحفيز الرئيسية، مما يشير إلى إمكانيته كمثبط فعال.
تضمنت الدراسة أيضًا تحليل ADME-Tox في السليكو، مما كشف أن جميع المركبات الثلاثة أظهرت ملفات دوائية مواتية، حيث أظهر شوجول أفضل خصائص السلامة والفعالية. من الجدير بالذكر أن شوجول حافظ على شكل مستقر خلال محاكاة الديناميكا الجزيئية، كما يتضح من قيم انحراف متوسط مربع الجذر (RMSD) المنخفضة مقارنة بالزنجبيلول وبارادول. هذا الاستقرار، جنبًا إلى جنب مع تفاعلات الربط القوية، يضع شوجول كمرشح رائد لمزيد من التطوير كعامل علاجي ضد COVID-19. بشكل عام، تؤكد النتائج على الإمكانيات العلاجية لمركبات الفينول المستمدة من الزنجبيل، وخاصة شوجول، في مكافحة العدوى الفيروسية.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-13094-0
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40721940
Publication Date: 2025-07-28
Author(s): Mehdi Yoosefian et al.
Primary Topic: Ginger and Zingiberaceae research
Overview
This study investigates the antiviral potential of phenolic compounds derived from Zingiber officinale (ginger), specifically gingerol, paradol, and shogaol, against the main protease (Mpro) of SARS-CoV-2, a key enzyme in viral replication. Utilizing a multi-level computational approach, the research employed density functional theory (DFT) to assess the chemical properties of these compounds, revealing shogaol as the most reactive with the lowest chemical hardness (2.04 eV) and highest electrophilicity index (2.83). Pharmacokinetic evaluations indicated that all compounds adhered to drug-likeness criteria and exhibited low toxicity, with shogaol demonstrating the most favorable ADMET profile, including no predicted mutagenic or cytotoxic effects.
Molecular docking studies indicated that shogaol had the highest binding affinity (-9.95 kcal/mol) to Mpro, forming stable interactions with critical active site residues. This was corroborated by 500-nanosecond molecular dynamics (MD) simulations, which showed that the shogaol-Mpro complex maintained low root mean square deviation (RMSD) and consistent hydrogen bonding, indicating stability. Principal component analysis (PCA) further confirmed shogaol’s compact conformational space, suggesting reduced flexibility and enhanced stability compared to gingerol and paradol. Additionally, MM-PBSA binding free energy calculations revealed shogaol’s superior binding energy (-44.09 kcal/mol), highlighting its potential as a lead compound for developing new therapeutics targeting COVID-19.
Methods
The “Methods” section outlines the experimental design and materials utilized in the study. It details the specific methodologies employed to gather data, including any relevant protocols, instruments, and techniques. The section emphasizes the importance of reproducibility and rigor in the experimental setup, ensuring that the findings can be validated by future research.
Additionally, the materials used in the study are specified, including any reagents, equipment, or software necessary for conducting the experiments. This comprehensive description allows for a clear understanding of the research framework and facilitates potential replication by other researchers in the field. Overall, the methods employed are crucial for establishing the reliability and validity of the study’s results.
Results
The results of the molecular dynamics simulations conducted over 500 nanoseconds using GROMACS 2024.5 reveal critical insights into the structural stability and dynamic behavior of ligand-Mpro complexes under near-physiological conditions. The simulations, which surpassed static docking predictions, employed a variety of post-simulation analyses, including root mean square deviation (RMSD), root mean square fluctuation (RMSF), radius of gyration (Rg), hydrogen bond analysis, minimum distance and contact analysis, solvent-accessible surface area (SASA), and principal component analysis (PCA). These analyses collectively provided a multidimensional assessment of the interactions between the ligands—gingerol, paradol, and shogaol—and the SARS-CoV-2 main protease (Mpro), facilitating a comparative evaluation of binding stability and elucidating the molecular mechanisms that underpin inhibitor efficacy.
Additionally, the findings are supported by molecular docking results, which detail the binding energy (BE), inhibitory constant (Ki), and intermolecular energy (IE) for each ligand with Mpro. The analysis highlights significant hydrophobic and hydrogen bond interactions with key active-site residues, further contributing to the understanding of the ligands’ effectiveness as potential inhibitors of SARS-CoV-2 Mpro. This comprehensive approach underscores the importance of dynamic simulations in assessing ligand interactions and their implications for therapeutic development.
Discussion
In this study, the bioactive compounds of ginger (Zingiber officinale), particularly gingerols, shogaols, and paradols, were investigated for their potential antiviral properties against SARS-CoV-2. The research utilized a computational approach, including molecular docking and molecular dynamics simulations, to assess the binding affinity of these compounds to the SARS-CoV-2 main protease (Mpro). Among the compounds, shogaol demonstrated the most favorable binding profile, with a minimum binding free energy of -9.95 kcal/mol and significant interactions with key catalytic residues, suggesting its potential as an effective inhibitor.
The study also included an in silico ADME-Tox analysis, revealing that all three compounds exhibited favorable pharmacokinetic profiles, with shogaol showing the most promising safety and efficacy characteristics. Notably, shogaol maintained a stable conformation during molecular dynamics simulations, indicated by lower root mean square deviation (RMSD) values compared to gingerol and paradol. This stability, combined with its strong binding interactions, positions shogaol as a leading candidate for further development as a therapeutic agent against COVID-19. Overall, the findings underscore the therapeutic potential of ginger-derived phenolic compounds, particularly shogaol, in combating viral infections.