Coronavirusul dezvăluit
On noiembrie 17, 2021 by adminÎn februarie, în timp ce noul coronavirus se răspândea în China și închidea orașe întregi, un om de știință pe nume Sai Li și-a propus să-i facă portretul.
În acel moment, cele mai bune fotografii pe care cineva reușise să le facă erau imagini de joasă rezoluție, în care virusul arăta ca o pată abia perceptibilă.
Dr. Li, biolog structuralist la Universitatea Tsinghua din Beijing, și-a unit forțele cu virusologii care creșteau virusul într-un laborator de biosecuritate din orașul Hangzhou. Acei cercetători au stropit virusurile cu substanțe chimice pentru a le face inofensive și apoi le-au trimis la Dr. Li.
Dr. Li și colegii săi au concentrat apoi lichidul încărcat de virus de la un litru la o singură picătură. El nu putea decât să spere că au făcut totul exact cum trebuie, astfel încât săptămânile de muncă pentru a produce acea picătură să nu fi fost o risipă.
„În acel moment, nu știi ce este înăuntru”, a spus Dr. Li. „Este doar lichid, nu-i așa?”
Glimpsing the Structure
Dr. Li a înghețat cu grijă picătura într-o fracțiune de secundă. Dacă făcea cea mai mică greșeală, cristalele de gheață puteau străpunge virușii, rupându-i în bucăți.
Sperând că va fi bine, Dr. Li a plasat puțina picătură de gheață într-un microscop crio-electronic. Aparatul a tras fascicule de electroni asupra probei. În timp ce aceștia ricoșau în atomii din interior, computerul doctorului Li a reconstruit ceea ce văzuse microscopul. Când imaginea s-a format, el a fost luat prin surprindere.
„Am văzut un ecran plin de viruși”, și-a amintit Dr. Li.
A putut vedea mii de coronavirusuri împachetate în gheață ca niște jeleuri într-un borcan. Acestea erau minunat de intacte, permițându-i să inspecteze detalii ale virusurilor care măsurau mai puțin de o milionime de centimetru.
„M-am gândit că sunt primul tip din lume care vede virusul într-o rezoluție atât de bună”, și-a amintit Dr. Li.
În următoarele săptămâni, Dr. Li și colegii săi au studiat cu atenție virusurile. Au inspectat proteinele care îi împânzeau suprafața și s-au scufundat în miezul său, unde șirul de gene al virusului era înfășurat cu proteine. Imaginile îi aminteau doctorului Li de ouăle dintr-un cuib.
Grație muncii unor oameni de știință precum Dr. Li, noul coronavirus, cunoscut sub numele de SARS-CoV-2, nu mai este un cifru. Ei au ajuns să îl cunoască în detalii intime, atomice. Au descoperit cum folosește unele dintre proteinele sale pentru a se strecura în celule și cum genele sale intim răsucite ne comandă biochimia. Au observat cum unele proteine virale dau peste cap fabricile noastre celulare, în timp ce altele construiesc pepiniere pentru crearea de noi viruși. Iar unii cercetători folosesc supercalculatoare pentru a crea viruși compleți, virtuali, pe care speră să îi folosească pentru a înțelege cum s-au răspândit virușii reali cu o ușurință atât de devastatoare.
„Acest moment nu seamănă cu nimic din ceea ce a experimentat oricare dintre noi, doar în ceea ce privește bombardamentul de date”, a declarat Rommie Amaro, biolog computațional de la Universitatea din California la San Diego.
Probândind Spike-ul
La începutul acestui an, Dr. Amaro și alți cercetători și-au îndreptat o mare parte din atenție către proteinele, numite spikes, care împânzesc suprafața virusului. Proteinele Spike au o funcție esențială: Ele se agață de celulele din căile noastre respiratorii, astfel încât virusul să se poată strecura în interior. Dar, în curând, a devenit clar că acest nume este impropriu. Proteina spike nu este ascuțită, îngustă sau rigidă.
Care proteină spike se fixează împreună cu alte două, formând o structură care are o formă de lalea. O tulpină lungă ancorează proteinele de virus, iar vârful lor arată ca o floare în trei părți.
Gerhard Hummer, un biofizician computațional de la Institutul Max Planck de Biofizică, și colegii săi au folosit metoda microscopiei congelate pentru a face fotografii ale proteinelor spike încorporate în membrana virusului. Apoi au calculat modul în care atomii din proteine s-au împins și s-au tras unii pe alții. Rezultatul a fost un dans molecular: Proteinele spike se rotesc pe trei balamale.
„Puteți vedea aceste flori unduindu-se cu tot felul de unghiuri de îndoire”, a spus Dr. Hummer. „Este destul de surprinzător să ai o tulpină atât de lungă și subțire cu atât de multă flexibilitate.”
Un scut de zahăr
Dr. Hummer a speculat că flexibilitatea spicului a fost importantă pentru succesul virusului. Prin măturarea în jurul său, țepușa își mărește șansele de a întâlni proteina de pe suprafața celulelor noastre pe care o folosește pentru a se atașa.
În timp ce se mătură, totuși, țepușele pot fi atacate de anticorpi, soldații puternici ai sistemului nostru imunitar. Pentru a se ascunde, ei creează un scut din zahăr. Moleculele de zahăr, în marina de mai jos, se învârt în jurul proteinelor și le ascund de anticorpi.
Un mic cârlig la capătul proteinei spike, în albastru deschis dedesubt, se răsucește uneori deasupra scutului de zahăr. Dacă întâlnește o anumită proteină de pe suprafața celulelor noastre, declanșează o serie de reacții care permit virusului să fuzioneze cu membrana celulară și să-și injecteze genele.
Bucle încâlcite
Genele noului coronavirus sunt dispuse pe un fir molecular numit ARN. Pe 10 ianuarie, cercetătorii chinezi au publicat secvența sa de 30.000 de litere. Acest text genetic stochează informațiile necesare pentru ca o celulă să producă proteinele virusului.
Dar genomul este mai mult decât o carte de bucate. Șirul se pliază într-o încurcătură diabolic de complexă. Iar această încurcătură este crucială pentru exploatarea celulelor noastre de către virus. „Aveți mult mai multe informații stocate în modul în care este format”, a declarat Sylvi Rouskin, biolog structuralist la Institutul Whitehead.
Dr. Rouskin a condus o echipă de oameni de știință care a cartografiat această formă. Într-un laborator de înaltă securitate de la Universitatea din Boston, colegii ei au infectat celule umane cu viruși și le-au dat timp să producă mii de noi șiruri de ARN. Marcând literele genetice de pe fire cu substanțe chimice, Dr. Rouskin și colegii ei au putut determina modul în care firul se pliază pe el însuși.
În unele locuri a format doar bucle laterale scurte. În alte locuri, sute de litere de ARN s-au balonat în cercuri mari, cu bucle care se desprindeau și alte bucle care se desprindeau din ele. Comparând milioane de genomuri virale, Dr. Rouskin și colegii săi au descoperit locurile în care virusul alunecă de la o formă la alta.
O serie de cercetători examinează acum îndeaproape unele dintre aceste regiuni pentru a-și da seama ce fac. Studiile lor sugerează că aceste noduri permit virusului să controleze ribozomii noștri, micile fabrici celulare care pompează proteine.
După ce virusul intră într-o celulă umană, ribozomii noștri se atașează de șirurile sale de ARN și alunecă de-a lungul lor ca o mașină de roller coaster care rulează pe o pistă. Pe măsură ce ribozomii trec peste literele genetice, ei construiesc proteine cu structuri corespunzătoare. Oamenii de știință suspectează că buclele de ARN pot arunca vagonul de roller coaster de pe traseu și apoi îl ghidează spre un loc aflat la mii de poziții distanță.
Alte bucle forțează ribozomul să dea puțin înapoi și apoi să avanseze din nou. Acest mic sughiț poate face ca virusul să fabrice proteine complet diferite din aceeași porțiune de ARN.
Jamming the Machinery
Proteinele virale care ies din ribozomii noștri se împrăștie în toată celula pentru a îndeplini diferite sarcini. Una dintre ele, numită Nsp1, ajută să preia controlul mașinăriei noastre moleculare.
Joseph Puglisi, un biolog structural de la Stanford, și colegii săi au amestecat proteinele Nsp1 și ribozomii în eprubete. Ei au descoperit că proteinele, în roz mai jos, s-au strecurat perfect în canalele din interiorul ribozomilor în care ARN-ul ar trebui să se potrivească în mod normal.
Dr. Puglisi suspectează că Nsp1 împiedică celulele noastre să producă propriile proteine – în special proteinele antivirale care ar putea distruge virusul. Dar acest lucru ridică întrebarea cum reușește virusul să își fabrice propriile proteine.
O posibilitate este că „cumva virusul este pur și simplu amplificat în capacitatea sa de a produce proteine”, a spus Dr. Puglisi. Din când în când, Nsp1 cade din ribozomi și, cumva, virusul face o treabă mai bună pentru a profita de aceste scurte oportunități. „Am sperat că va fi ceva simplu”, a spus el. „Dar, ca de obicei în știință, nu a fost așa.”
Blobs and Droplets
În timp ce Nsp1 manipulează ribozomii, alte proteine virale sunt ocupate să creeze noi viruși. O jumătate de duzină de proteine diferite se unesc pentru a face noi copii ale ARN-ului virusului. Dar ceva remarcabil se întâmplă pe parcurs: Împreună, proteinele și ARN-ul se transformă spontan într-o picătură, asemănătoare cu o pată într-o lampă de lavă.
Fizicienii știu de mult timp că moleculele dintr-un lichid formează spontan picături dacă condițiile sunt potrivite. „Este ca și cum ai face pansament pentru salată”, a declarat Amy Gladfelter, un biolog celular de la Universitatea din Carolina de Nord.
Dar abia în ultimii ani biologii au descoperit că celulele noastre produc în mod regulat picături în scopuri proprii. Acestea pot reuni anumite molecule în concentrații mari pentru a efectua reacții speciale, excluzând alte molecule care nu pot intra în picături.
Richard Young, biolog la Institutul Whitehead, și colegii săi au amestecat proteine SARS-CoV-2 care construiesc ARN nou împreună cu molecule de ARN. Când moleculele se asamblează, ele formează spontan picături. Probabil că virusul obține aceleași beneficii ca și celula din această strategie.
Datorită sofisticării coronavirusului în atât de multe alte privințe, Dr. Young nu a fost surprins de descoperirea sa. „De ce nu ar exploata virușii o proprietate a materiei?”, a spus el.
Poarte și tuneluri
Coronavirusurile pot convinge celulele umane să formeze noi camere pentru a găzdui materialul lor genetic. Dar când Montserrat Bárcena, microscopistă la Centrul Medical al Universității Leiden din Olanda, a inspectat aceste camere, a fost nedumerită: nu părea să existe găuri în membrane, nepermițând nici o cale de intrare sau ieșire a ARN-ului.
Recent, Dr. Bárcena și colegii ei au aruncat o privire mai atentă și au descoperit o cale de trecere. Una dintre proteinele coronavirusului, numită Nsp3, se pliază într-un tunel, care apoi se blochează în membrane.
„Este o cale de scăpare a coronavirusului”, a spus Dr. Bárcena. „Aveam această enigmă, iar acum avem un răspuns.”
Asamblarea de noi virusuri
În câteva ore, o celulă infectată poate crea mii de noi genomuri de virus. Ribozomii celulei le citesc genele, scuipând și mai multe proteine virale. În cele din urmă, unele dintre aceste proteine și noile genomuri se asamblează singure pentru a crea noi virusuri.
Aceasta nu este o sarcină ușoară, deoarece șirul de gene al coronavirusului este de o sută de ori mai lung decât virusul însuși.
Experimentele recente sugerează că, încă o dată, SARS-CoV-2 folosește fizica lămpii de lavă în avantajul său. Proteinele numite nucleocapside se lipesc de puncte pe lungimea șirului de ARN. Împreună, moleculele se prăbușesc rapid în picături.
Dr. Gladfelter a speculat că această strategie a împiedicat ca două șiruri de gene să se încurce unul cu celălalt. Ca urmare, fiecare virus nou sfârșește cu un singur set de gene.
Aceste picături sunt înghițite în interiorul membranelor virale și a proteinelor spike, iar noii viruși sunt gata să scape din celulă. Pentru a simula acești viruși până la fiecare atom, Dr. Amaro adună imaginile emergente ale proteinelor și ARN-ului SARS-CoV-2. Ea și colegii ei construiesc apoi viruși virtuali pe supercomputere, fiecare format dintr-o jumătate de miliard de atomi. Aceste mașini pot folosi apoi legile fizicii pentru a simula dansul virusurilor la fiecare femtosecundă: cu alte cuvinte, o milionime de miliardime de secundă.
Dr. Amaro și colegii ei speră să folosească virusurile simulate pentru a aborda una dintre cele mai controversate întrebări despre Covid-19: cum se răspândește virusul de la o persoană la alta.
Când persoanele infectate expiră, vorbesc sau tușesc, ele eliberează picături minuscule de apă încărcate cu viruși. Nu este clar cât timp poate supraviețui SARS-CoV-2 în aceste picături. Dr. Amaro plănuiește să construiască aceste picături, până la moleculele individuale de apă, pe calculatorul său. Apoi va adăuga viruși și va urmări ce se întâmplă cu ele.
„Sunt destul de încrezător că, probabil, în decurs de un an, am putea avea întregul virus, inclusiv toate bucățile din interior”, a spus ea.
Medicamente și vaccinuri
Dar, deja, noile imagini ale SARS-CoV-2 au devenit esențiale pentru lupta împotriva pandemiei. Dezvoltatorii de vaccinuri studiază structura virusului pentru a se asigura că anticorpii produși de vaccinuri se prind bine de virus. Dezvoltatorii de medicamente pun la cale molecule care perturbă virusul, strecurându-se în colțișoarele proteinelor și bruindu-le mașinăria.
Genomul virusului poate oferi și alte ținte. Medicamentele ar putea fi capabile să se blocheze pe bucle și încurcături pentru a împiedica virusul să ne controleze ribozomii. „Este foarte important să știi care este forma, astfel încât să poți dezvolta chimia potrivită pentru a te lega de acea formă”, a spus Dr. Rouskin.
Dr. Gladfelter, între timp, vrea să vadă dacă fizica picăturilor virale poate oferi o nouă linie de atac împotriva SARS-CoV-2.
„Ai putea obține un compus care să le facă mai lipicioase, să le facă mai gelatinoase”, a spus ea. „Probabil că există o mulțime de călcâie ale lui Ahile.”
Cercetări viitoare
În timp ce ultimele câteva luni au furnizat o avalanșă de date despre virus, unele studii au arătat clar că va dura ani de zile pentru a da un sens SARS-CoV-2.
Noam Stern-Ginossar și colegii săi de la Institutul Weizmann din Israel, de exemplu, au găsit dovezi că virusul produce proteine pe care oamenii de știință încă nu le-au găsit.
Dr. Stern-Ginossar și colegii săi au cercetat ARN-ul virusului în celulele infectate, numărând toți ribozomii care îl citeau. Unii ribozomi s-au grupat de-a lungul genelor cunoscute. Dar alții citeau gene care nu fuseseră găsite niciodată înainte.
De exemplu, ribozomii citeau uneori doar o secțiune a genei proteinei spike. Probabil că ei fac un mini-spike, care poate foarte bine să îndeplinească o sarcină esențială pentru virus. Un medicament care să o dezactiveze ar putea vindeca Covid-19.
Dar oamenii de știință nici măcar nu pot începe să ghicească aceste posibilități, deoarece nimeni nu a observat încă mini-spike-ul în natură. Și același lucru va fi valabil și pentru celelalte gene noi, a constatat echipa Dr. Stern-Ginossar.
„Fiecare dintre ele va necesita muncă suplimentară pentru a ne da seama ce fac”, a spus ea. „Biologia are nevoie de timp.”
Produs de Jonathan Corum.
Corecție: O versiune anterioară a acestei știri a scris greșit prenumele unui om de știință. Ea este Montserrat Bárcena, nu Monsterrat.
.
Lasă un răspuns