Koronawirus odsłonięty
On 17 listopada, 2021 by adminW lutym, gdy nowy koronawirus przetoczył się przez Chiny i zamknął całe miasta, naukowiec o nazwisku Sai Li wyruszył, by namalować jego portret.
Wówczas najlepszymi zdjęciami, jakie udało się zrobić, były obrazy o niskiej rozdzielczości, na których wirus wyglądał jak ledwo dostrzegalna smuga.
Dr Li, biolog strukturalny na Uniwersytecie Tsinghua w Pekinie, połączył siły z wirusologami, którzy hodowali wirusa w laboratorium bezpieczeństwa biologicznego w mieście Hangzhou. Badacze ci oblali wirusy chemikaliami, aby je unieszkodliwić, a następnie wysłali je do Dr. Li.
Dr. Li i jego koledzy następnie skoncentrowali płyn pełen wirusów z jednej kwarty do jednej kropli. Mógł mieć tylko nadzieję, że zrobili wszystko dokładnie tak, jak trzeba, aby tygodnie pracy nad wyprodukowaniem tej kropli nie poszły na marne.
„W tym czasie nie wiesz, co jest w środku” – powiedział dr Li. „To tylko ciecz, prawda?”
Glimpsing the Structure
Dr Li ostrożnie zamroził kroplę w ułamku sekundy. Gdyby popełnił najmniejszy błąd, kryształki lodu mogłyby rozerwać wirusy na strzępy.
Mając nadzieję na najlepsze, dr Li umieścił odrobinę lodu w mikroskopie krioelektronowym. Urządzenie wystrzeliło wiązki elektronów w kierunku próbki. Gdy te odbijały się od atomów w środku, komputer dr Li rekonstruował to, co widział mikroskop. Kiedy powstał obraz, był zaskoczony.
„Zobaczyłem ekran pełen wirusów”, wspomina dr Li.
Widział tysiące koronawirusów upakowanych w lodzie jak żelki w słoiku. Były one pięknie nienaruszone, pozwalając mu na sprawdzenie szczegółów wirusów, które mierzyły mniej niż milionową część cala.
„Pomyślałem, że jestem pierwszym facetem na świecie, który zobaczył wirusa w tak dobrej rozdzielczości,” wspomina Dr. Li.
W ciągu następnych tygodni, Dr. Li i jego koledzy wertowali wirusy. Sprawdzali białka, które zdobiły jego powierzchnię i zagłębiali się w jego jądro, gdzie splot genów wirusa był zwinięty z białkami. Obrazy przypominały doktorowi Li jajka w gnieździe.
Dzięki pracy naukowców takich jak dr Li, nowy koronawirus, znany jako SARS-CoV-2, nie jest już szyfrem. Poznali go w intymnych, atomowych szczegółach. Odkryli, w jaki sposób wykorzystuje on niektóre ze swoich białek do wślizgiwania się do komórek i jak jego skomplikowane geny sterują naszą biochemią. Zaobserwowali, w jaki sposób niektóre białka wirusowe wstrząsają naszymi komórkowymi fabrykami, podczas gdy inne budują żłobki, w których powstają nowe wirusy. A niektórzy badacze używają superkomputerów do tworzenia kompletnych, wirtualnych wirusów, które mają nadzieję wykorzystać do zrozumienia, w jaki sposób prawdziwe wirusy rozprzestrzeniają się z tak niszczycielską łatwością.
„Ten czas jest niepodobny do niczego, czego ktokolwiek z nas doświadczył, tylko pod względem bombardowania danymi”, powiedział Rommie Amaro, biolog obliczeniowy na Uniwersytecie Kalifornijskim w San Diego.
Przebadanie kolca
Na początku tego roku dr Amaro i inni badacze poświęcili wiele uwagi białkom, zwanym kolcami, które pokrywają powierzchnię wirusa. Białka kolców mają do odegrania istotną rolę: Przyczepiają się do komórek w naszych drogach oddechowych, dzięki czemu wirus może wślizgnąć się do środka. Wkrótce jednak stało się jasne, że nazwa ta jest mylna. Białko kolca nie jest ostre, wąskie ani sztywne.
Każde białko kolca łączy się z dwoma innymi, tworząc strukturę o kształcie przypominającym tulipan. Długa łodyga zakotwicza białka do wirusa, a ich wierzchołek wygląda jak trzyczęściowy kwiat.
Gerhard Hummer, biofizyk obliczeniowy w Instytucie Biofizyki Maxa Plancka, i jego koledzy użyli metody mikroskopii mrożonej do zrobienia zdjęć białek kolców osadzonych w błonie wirusa. Następnie obliczyli, w jaki sposób atomy w białkach naciskają i ciągną na siebie nawzajem. Wynikiem był molekularny taniec: Białka spike obracają się na trzech zawiasach.
„Można zobaczyć te kwiaty falujące z wszelkiego rodzaju kątami zgięcia”, powiedział dr Hummer. „To dość zaskakujące mieć tak długą, smukłą łodygę z tak dużą elastycznością.”
Cukrowa tarcza
Dr Hummer spekulował, że elastyczność kolca była ważna dla sukcesu wirusa. Omiatając dookoła, kolce zwiększają swoje szanse na napotkanie białka na powierzchni naszych komórek, którego używają do przyczepienia się.
Jak jednak omiatają dookoła, kolce mogą być atakowane przez przeciwciała, potężnych żołnierzy naszego układu odpornościowego. Aby się ukryć, tworzą tarczę z cukru. Cząsteczki cukru, w marynarce poniżej, wirują wokół białek i ukrywają je przed przeciwciałami.
Mały haczyk na końcu białka kolca, w kolorze jasnoniebieskim poniżej, czasami wysuwa się ponad osłonę cukrów. Jeśli natrafi na określone białko na powierzchni naszych komórek, uruchamia serię reakcji, które pozwalają wirusowi połączyć się z błoną komórkową i wstrzyknąć swoje geny.
Plątane pętle
Geny nowego koronawirusa są rozmieszczone na nici molekularnej zwanej RNA. W dniu 10 stycznia chińscy badacze opublikowali jego sekwencję składającą się z 30 000 liter. Ten genetyczny tekst przechowuje informacje wymagane dla komórki, aby zrobić białka wirusa.
Ale genom jest czymś więcej niż książką kucharską. Składa się on w diabelnie skomplikowaną plątaninę. I ta plątanina jest kluczowa dla wykorzystania naszych komórek przez wirusa. Sylvi Rouskin, biolog strukturalny w Instytucie Whiteheada, powiedziała: „W tym, jak jest on ukształtowany, zapisanych jest o wiele więcej informacji”. W ściśle strzeżonym laboratorium na Uniwersytecie w Bostonie jej koledzy zainfekowali ludzkie komórki wirusami i dali im czas na wytworzenie tysięcy nowych nici RNA. Oznaczając litery genetyczne na nici za pomocą substancji chemicznych, dr Rouskin i jej koledzy mogli określić, w jaki sposób nić składa się sama z siebie.
W niektórych miejscach tworzył tylko krótkie pętle boczne. W innych miejscach, setki listów RNA rozrosły się w wielkie pętle, z pętlami odchodzącymi od nich i kolejnymi pętlami odchodzącymi od nich. Porównując miliony wirusowych genomów, dr Rouskin i jej koledzy odkryli miejsca, w których wirus prześlizguje się z jednego kształtu do drugiego.
Liczba badaczy bada teraz dokładnie niektóre z tych regionów, aby dowiedzieć się, co one robią. Ich badania sugerują, że te węzły pozwalają wirusowi kontrolować nasze rybosomy, maleńkie fabryki komórkowe, które wypompowują białka.
Po tym, jak wirus dostanie się do ludzkiej komórki, nasze rybosomy przyczepiają się do jego nici RNA i suną po nich jak wagonik kolejki górskiej po torze. Gdy rybosomy przejeżdżają nad literami genetycznymi, budują białka o odpowiednich strukturach. Naukowcy podejrzewają, że pętle RNA mogą zrzucić wagonik z toru, a następnie poprowadzić go do miejsca oddalonego o tysiące pozycji.
Inne pętle zmuszają rybosom do cofnięcia się nieco, a następnie ruszenia do przodu ponownie. Ta mała czkawka może spowodować, że z tego samego fragmentu RNA wirus stworzy zupełnie inne białka.
Korkowanie maszyn
Białka wirusowe, które wypluwają się z naszych rybosomów, rozchodzą się po komórce, aby wykonywać różne zadania. Jedno z nich, zwane Nsp1, pomaga przejąć kontrolę nad naszą maszynerią cząsteczek.
Joseph Puglisi, biolog strukturalny ze Stanford, i jego koledzy zmieszali białka Nsp1 i rybosomy razem w probówkach. Odkryli, że białka, w kolorze różowym poniżej, wślizgnęły się zgrabnie do kanałów wewnątrz rybosomów, gdzie normalnie mieściłby się RNA.
Dr Puglisi podejrzewa, że Nsp1 powstrzymuje nasze komórki przed tworzeniem własnych białek – zwłaszcza białek antywirusowych, które mogłyby zniszczyć wirusa. Ale to rodzi pytanie, w jaki sposób wirus dostaje swoje własne białka made.
Jedną z możliwości jest to, że „w jakiś sposób wirus jest po prostu wzmocniony w jego zdolności do produkcji białka,” Dr. Puglisi powiedział. Od czasu do czasu, Nsp1 wypada z rybosomów, i jakoś wirus robi lepszą pracę z wykorzystaniem tych krótkich możliwości. „Mieliśmy nadzieję, że będzie to coś prostego” – powiedział. „Ale, jak zwykle w nauce, tak nie było.”
Blobs and Droplets
W czasie gdy Nsp1 manipuluje rybosomami, inne białka wirusowe są zajęte tworzeniem nowych wirusów. Pół tuzina różnych białek łączy się, by stworzyć nowe kopie RNA wirusa. Ale po drodze dzieje się coś niezwykłego: Razem, białka i RNA spontanicznie zamieniają się w kropelkę, podobną do kleksa w lampie lawowej.
Fizycy od dawna wiedzą, że cząsteczki w cieczy spontanicznie tworzą kropelki, jeśli warunki są odpowiednie. „To jest po prostu robienie sosu sałatkowego” – powiedziała Amy Gladfelter, biolog komórkowy z Uniwersytetu Karoliny Północnej.
Ale dopiero w ostatnich latach biolodzy odkryli, że nasze komórki regularnie tworzą kropelki do własnych celów. Mogą one łączyć pewne cząsteczki w wysokich stężeniach w celu przeprowadzenia specjalnych reakcji, odcinając inne cząsteczki, które nie mogą wejść do kropli.
Richard Young, biolog z Whitehead Institute, i jego koledzy zmieszali razem białka SARS-CoV-2, które budują nowe RNA wraz z cząsteczkami RNA. Kiedy cząsteczki się łączą, spontanicznie tworzą kropelki. Wirus prawdopodobnie czerpie z tej strategii takie same korzyści, jak komórka.
Zważywszy na wyrafinowanie koronawirusa w tak wielu innych aspektach, dr Young nie był zaskoczony swoim odkryciem. „Dlaczego wirusy nie miałyby wykorzystywać właściwości materii?” – powiedział.
Pory i tunele
Koronawirusy mogą zmusić ludzkie komórki do utworzenia nowych komór w celu pomieszczenia ich materiału genetycznego. Ale kiedy Montserrat Bárcena, mikroskopistka z Centrum Medycznego Uniwersytetu w Leiden w Holandii, zbadała te komory, była zdumiona: wydawało się, że w błonach nie ma żadnych otworów, co nie pozwalało RNA na dostanie się lub wydostanie się na zewnątrz.
Ostatnio dr Bárcena i jej koledzy przyjrzeli się bliżej i odkryli drogę. Jedno z białek koronawirusa, zwane Nsp3, składa się w tunel, który następnie wpina się w membrany.
„To jest droga ucieczki koronawirusa,” powiedział dr Bárcena. „Mieliśmy tę zagadkę, a teraz mamy odpowiedź.”
Składanie nowych wirusów
W ciągu kilku godzin zainfekowana komórka może wytworzyć tysiące nowych genomów wirusa. Rybosomy komórki odczytują ich geny, wypluwając jeszcze więcej białek wirusowych. Ostatecznie, niektóre z tych białek i nowe genomy składają się, aby stworzyć nowe wirusy.
Nie jest to łatwe zadanie, ponieważ nić genów koronawirusa jest sto razy dłuższa niż sam wirus.
Ostatnie eksperymenty sugerują, że po raz kolejny SARS-CoV-2 wykorzystuje fizykę lampy lawowej na swoją korzyść. Białka zwane nukleokapsydami przyklejają się do miejsc wzdłuż nici RNA. Razem, cząsteczki szybko zapadają się w kropelki.
Dr Gladfelter spekuluje, że ta strategia zapobiegła splątaniu się dwóch nici genów. W rezultacie każdy nowy wirus kończy się tylko z jednym zestawem genów.
Te kropelki są połykane wewnątrz błon wirusowych i białek kolców, a nowe wirusy są gotowe do ucieczki z komórki. Aby symulować te wirusy z dokładnością do każdego atomu, dr Amaro zbiera pojawiające się obrazy białek i RNA wirusa SARS-CoV-2. Następnie ona i jej współpracownicy konstruują na superkomputerach wirtualne wirusy, z których każdy składa się z pół miliarda atomów. Maszyny te mogą następnie wykorzystać prawa fizyki do symulacji tańca wirusów co femtosekundę: innymi słowy, milionową część miliardowej części sekundy.
Dr Amaro i jej koledzy mają nadzieję wykorzystać symulowane wirusy do rozwiązania jednego z najbardziej spornych pytań dotyczących Covid-19: jak wirus rozprzestrzenia się z osoby na osobę.
Gdy zainfekowani ludzie wydychają powietrze, rozmawiają lub kaszlą, uwalniają maleńkie kropelki wody obciążone wirusami. Nie jest jasne, jak długo SARS-CoV-2 może przetrwać w tych kroplach. Dr Amaro planuje zbudować te krople, aż do ich indywidualnych cząsteczek wody, na swoim komputerze. Następnie doda wirusy i będzie obserwować, co się z nimi stanie.
„Jestem całkiem pewna, że prawdopodobnie w ciągu roku, będziemy w stanie mieć całego wirusa, w tym wszystkie kawałki wewnątrz,” powiedziała.
Leki i szczepionki
Już teraz jednak nowe obrazy SARS-CoV-2 stały się kluczowe w walce z pandemią. Twórcy szczepionek badają strukturę wirusa, aby upewnić się, że przeciwciała wytwarzane przez szczepionki ściśle trzymają się wirusa. Twórcy leków opracowują cząsteczki, które zakłócają działanie wirusa, wślizgując się w zakamarki białek i zakłócając ich działanie.
Genom wirusa może oferować inne cele. Leki mogą być w stanie zablokować pętle i splątania, aby zapobiec wirusowi od kontrolowania naszych rybosomów. „Bardzo ważne jest, aby wiedzieć, jaki jest kształt, więc można opracować właściwą chemię, aby związać się z tym kształtem,” powiedział dr Rouskin.
Dr Gladfelter, w międzyczasie, chce zobaczyć, czy fizyka kropli wirusowych może zaoferować nową linię ataku przeciwko SARS-CoV-2.
„Można by uzyskać związek, który uczyniłby je bardziej lepkimi, uczyniłby je bardziej galaretowatymi,” powiedziała. „Prawdopodobnie istnieje wiele pięt achillesowych.”
Przyszłe badania
Podczas gdy ostatnie kilka miesięcy dostarczyło powodzi danych na temat wirusa, niektóre badania dały jasno do zrozumienia, że miną lata zanim SARS-CoV-2 nabierze sensu.
Noam Stern-Ginossar i jej koledzy z Instytutu Weizmanna w Izraelu, na przykład, znaleźli dowody na to, że wirus tworzy białka, które naukowcy jeszcze nie znaleźli.
Dr Stern-Ginossar i jej koledzy zbadali RNA wirusa w zainfekowanych komórkach, zliczając wszystkie rybosomy, które go czytały. Niektóre rybosomy grupowały się wzdłuż znanych genów. Ale inne czytały geny, które nigdy wcześniej nie zostały znalezione.
Rybosomy czasami czytają tylko część genu białka spike, na przykład. Przypuszczalnie tworzą one mini-spike, który może wykonywać jakieś istotne zadanie dla wirusa. Lek, który go wyłącza, mógłby wyleczyć Covid-19.
Ale naukowcy nie mogą nawet zacząć zgadywać tych możliwości, ponieważ nikt jeszcze nie zauważył mini-kolca w naturze. I to samo będzie prawdziwe dla innych nowych genów, zespół Dr. Stern-Ginossar’s found.
„Każdy z nich będzie wymagał dodatkowej pracy, aby dowiedzieć się, co robią,” powiedziała. „Biologia wymaga czasu.”
Wyprodukowane przez Jonathan Corum.
Korekta: We wcześniejszej wersji tej historii błędnie podano imię naukowca. Jest to Montserrat Bárcena, a nie Monsterrat.
.
Dodaj komentarz