コロナウイルスの正体
On 11月 17, 2021 by admin2月、新型コロナウイルスが中国全土を席巻し、都市全体を閉鎖したとき、サイ・リーという科学者はその肖像画を描こうとした。
当時、誰もが撮影できた最高の写真は、低解像度の画像であり、その中では、ウイルスはかろうじて識別可能な汚れのように見えました。 その研究者たちはウイルスを化学薬品で無害化し、Li博士のもとに送りました。
Li博士と彼の同僚は、その後、ウイルスが入った液体を4分の1から1滴になるまで濃縮しました。 その一滴を作るための数週間の作業が無駄にならないよう、すべてがうまくいったことを願うばかりです。
「その時点では、中に何が入っているかわかりません」とLi博士は言います。 「
Glimpsing the Structure
李博士は慎重に、一瞬でその滴を凍らせました。 少しでも間違えれば、氷の結晶がウイルスを突き刺し、バラバラにしてしまう。 電子顕微鏡は、試料に電子ビームを発射する。 電子ビームが内部の原子に当たって跳ね返ると、李博士のコンピュータが顕微鏡で見たものを再構成する。
彼は、瓶の中のジェリービーンズのように氷の中に詰まった何千ものコロナウイルスを見ることができました。 それらは見事に無傷で、1インチの100万分の1にも満たないウイルスの細部を検査することができました。 そして、ウイルスの表面に散らばっているタンパク質を調べ、ウイルスの遺伝子の鎖がタンパク質に巻きついているコアに潜り込んだ。
Li 博士のような科学者の仕事のおかげで、SARS-CoV-2 として知られる新しいコロナウイルスは、もはや暗号ではなくなりました。 彼らはそれを親密かつ原子レベルで詳細に知るようになりました。 彼らは、このウイルスがそのタンパク質の一部を使ってどのように細胞の中に入り込むのか、そしてその密接にねじれた遺伝子がどのように我々の生化学を支配しているのかを発見したのである。 ある種のウイルスのタンパク質が我々の細胞工場にどのような衝撃を与えるか、また別のタンパク質が新しいウイルスを作るための苗床をどのように作るかを観察してきたのである。 また、一部の研究者は、スーパーコンピュータを使用して、完全な仮想ウイルスを作成し、実際のウイルスがどのように壊滅的な勢いで広がっているかを理解するために使用することを望んでいます。
Probing the Spike
今年初め、アマロ博士と他の研究者は、ウイルスの表面を飾るスパイクと呼ばれるタンパク質に大きな関心を寄せました。 スパイク・タンパク質は重要な役割を担っている。 スパイク・タンパク質は、気道の細胞に付着して、ウイルスを内部に侵入させるという重要な役割を担っているのだ。 しかし、この名称が誤りであることはすぐに明らかになった。 スパイクタンパク質は、鋭くもなく、細くもなく、硬くもありません。
各スパイクタンパク質は、他の2つと一緒になって、チューリップのような形をした構造を形成しています。 マックスプランク生物物理学研究所の計算生物物理学者であるGerhard Hummer氏と彼の同僚は、凍結顕微鏡法を使って、ウイルス膜に埋め込まれたスパイクタンパク質の写真を撮りました。 そして、タンパク質の原子が互いにどのように押し合い、引っ張り合っているかを計算した。 その結果、分子的なダンスが生まれた。
「これらの花があらゆる曲げ角度で揺れているのがわかります」と、Hummer博士は述べています。 「これほど細長い茎に、これほど柔軟性があるとは、かなり驚きです」
A Sugar Shield
Hummer 博士は、ウイルスの成功にはスパイクの柔軟性が重要だったと推測しています。 しかし、掃き寄せられると、免疫システムの強力な兵士である抗体によって攻撃される可能性があります。 そこで、トゲは糖でシールドを作り、身を隠す。
下の水色のスパイクタンパク質の先端にある小さなフックは、時々、糖のシールドの上で反転する。 私たちの細胞の表面にある特定のタンパク質に出会うと、一連の反応が起こり、ウイルスが細胞膜に融合して、その遺伝子を注入することができます。
Tangled Loops
新しいコロナウイルスの遺伝子は、RNAという分子鎖上に配列されています。 1月10日、中国の研究者たちは、その3万文字の配列を発表した。 その遺伝子のテキストには、細胞がウイルスのタンパク質を作るために必要な情報が格納されています。
しかし、ゲノムは料理の本以上のものです。 この鎖は悪魔のように複雑なもつれに折れている。 しかし、ゲノムは料理本以上のものである。そして、その絡まりは、ウイルスが我々の細胞を利用するために極めて重要である。 「と、ホワイトヘッド研究所の構造生物学者であるシルヴィ・ルースキン（Sylvi Rouskin）博士は述べています。 ボストン大学の厳重な研究室で、彼女の同僚たちはヒトの細胞にウイルスを感染させ、何千本もの新しいRNA鎖を作る時間を与えました。
現在、多くの研究者が、これらの領域の一部を詳細に調べ、何をしているのかを解明しています。
ウイルスがヒトの細胞に侵入すると、リボソームはそのRNA鎖に付着し、線路上を走るジェットコースターのように滑るように移動します。 リボソームは遺伝子の文字の上を通過するとき、それに対応する構造を持つタンパク質を作る。 科学者たちは、RNAのループが、ジェットコースターカーを軌道からはずし、数千メートル離れた場所に誘導しているのではないかと考えている
他のループは、リボソームを少し後退させ、再び前進させる。
Jamming the Machinery
リボソームから吐き出されたウイルスのタンパク質は、細胞内でさまざまな仕事をするために広がっています。 スタンフォード大学の構造生物学者であるJoseph Puglisi氏と彼の同僚は、Nsp1タンパク質とリボソームを試験管の中で混ぜ合わせました。 その結果、リボソーム内の、通常はRNAが収まるはずの溝に、ピンク色のタンパク質がきれいに入り込んだのです。
Puglisi博士は、Nsp1が私たちの細胞が自分自身のタンパク質、特にウイルスを破壊できる抗ウイルスタンパク質を作るのを止めているのではないかと疑っています。 しかし、このことは、ウイルスがどのようにして自身のタンパク質を作るのかという問題を提起する。
1つの可能性として、「何らかの方法で、ウイルスはタンパク質を生産する能力を高めている」とPuglisi博士は述べた。 時折、Nsp1がリボソームから脱落し、その短い機会をうまく利用して、ウイルスがより良い仕事をするのです。 「私たちは、それが単純なものであることを望んでいました。 「しかし、科学の常として、そうではありませんでした」
Blobs and Droplets
Nsp1がリボソームを操作している間、他のウイルスタンパク質は新しいウイルスの作成で忙しくしています。 半ダースの異なるタンパク質が集まって、ウイルスのRNAの新しいコピーを作るのである。 しかし、その過程で驚くべきことが起こる。 タンパク質とRNAが一緒になって、溶岩の中の塊のような液滴に自然に変化するのです。
物理学者は、条件が整えば、液体中の分子が自然に液滴を形成することを長い間知っていました。 「これはちょうどサラダドレッシングを作っているようなものです」と、ノースカロライナ大学の細胞生物学者、Amy Gladfelter氏は言います。
しかし、近年になってようやく、私たちの細胞が独自の目的のために定期的に液滴を作ることが生物学者によって発見されました。 ホワイトヘッド研究所の生物学者リチャード・ヤングと彼の同僚は、新しい RNA を構築する SARS-CoV-2 タンパク質を RNA 分子と一緒に混ぜ合わせました。 分子が集合すると、自発的に液滴を形成する。
他の多くの点でコロナウイルスが洗練されていることから、ヤング博士は彼の発見に驚きませんでした。 「なぜウイルスは物質の特性を利用しないのでしょうか」と彼は言います。
Pores and Tunnels
Coronaviruses can coax human cells to form new chambers to house their genetic material. しかし、オランダのライデン大学医療センターの顕微鏡技師であるMontserrat Bárcena氏がこれらの部屋を検査したとき、彼女は困惑しました：膜に穴がなく、RNAが出入りする道がないように見えたのです。 コロナウイルスのタンパク質の1つであるNsp3は、トンネル状に折り畳まれ、膜に差し込まれます。
「これはコロナウイルスの逃げ道です」と Bárcena 博士は言います。 「私たちはこの謎を解いていましたが、今は答えを持っています」
Assembling New Viruses
数時間のうちに、感染細胞は何千もの新しいウイルスゲノムを作成することが可能です。 細胞のリボソームがその遺伝子を読み取り、さらに多くのウイルス・タンパク質を吐き出す。
コロナウイルスの遺伝子の鎖は、ウイルス自体の100倍も長いので、これは簡単なことではありません。 ヌクレオカプシドと呼ばれるタンパク質は、RNA鎖の長さに沿ったスポットに接着する。
Gladfelter博士は、この戦略により2本の遺伝子鎖が互いに絡まることを防げると推察。 その結果、それぞれの新しいウイルスが、1組の遺伝子だけを持つようになります。
これらの液滴は、ウイルス膜とスパイクタンパク質の中に飲み込まれ、新しいウイルスは細胞から脱出する準備ができます。 このようなウイルスを原子1つ1つまでシミュレートするために、アマロ博士はSARS-CoV-2のタンパク質とRNAの新しい写真を集めている。 そして、5億個の原子で構成されるスーパーコンピューターで、仮想のウイルスを構築する。 7206>
Amaro博士とその同僚は、このシミュレーションされたウイルスを使用して、Covid-19に関する最も論争になっている問題の1つ、すなわちウイルスが人から人へどのように広がるかという問題に取り組むことを期待している。 SARS-CoV-2がこの水滴の中でどのくらい生き延びることができるかは不明である。 アマロ博士は、この水滴を水の分子ひとつひとつに至るまで、コンピュータ上で作り上げることを計画している。
「おそらく 1 年以内に、内部のすべてのビットを含む、ウイルス全体を入手できるようになると、私はかなり確信しています」と、彼女は述べています。
薬とワクチン
しかしすでに、SARS-CoV-2の新しい絵は、パンデミックとの戦いに不可欠なものとなっている。 ワクチン開発者は、ワクチンによって作られる抗体がウイルスをしっかりと掴むことができるように、ウイルスの構造を研究している。
ウイルスのゲノムには他のターゲットがあるかもしれません。 薬剤は、ウイルスが私たちのリボソームを制御するのを防ぐために、ループやもつれに固定することができるかもしれません。 「
一方、グラッドフェルター博士は、ウイルス飛沫の物理学が、SARS-CoV-2に対する新しい攻撃方法を提供できるかどうかを確認したいと考えています。 「
Future Research
過去数ヶ月、ウイルスに関するデータの洪水がもたらされた一方で、いくつかの研究は、SARS-CoV-2を理解するのに何年もかかることを明確にしている。
例えば、イスラエルのワイツマン研究所のNoam Stern-Ginossar博士と彼女の同僚は、ウイルスが、まだ科学者が見つけていないタンパク質を作っている証拠を発見しました。 いくつかのリボソームは既知の遺伝子に沿って集まっていた。
リボソームは、例えばスパイクタンパク質遺伝子の一部分だけを読むこともあった。 おそらくミニスパイクを作り、それがウイルスにとって不可欠な仕事をするのでしょう。 それを無効にする薬があれば、コヴィッド-19は治るかもしれません。
しかし、科学者はこれらの可能性を推測することすらできません。なぜなら、まだ誰も自然の中でミニスパイクを発見していないからです。 そして、他の新しい遺伝子についても同じことが言えるだろうと、Stern-Ginossar博士のチームは考えています。
「それぞれが何をしているのかを解明するためには、さらなる研究が必要になるでしょう」と、彼女は言います。 「生物学には時間がかかるのです」
Produced by Jonathan Corum.
訂正しました。 この記事の以前のバージョンでは、科学者のファーストネームのスペルを間違えていました。 彼女はMontserrat Bárcenaであり、Monsterratではありません
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