Coronaviruset avslöjas
On november 17, 2021 by adminI februari, när det nya coronaviruset svepte över Kina och stängde hela städer, började en forskare vid namn Sai Li att måla dess porträtt.
De bästa bilder som någon hade lyckats ta var då lågupplösta bilder, där viruset såg ut som en knappt urskiljbar fläck.
Dr. Li, som är strukturbiolog vid Tsinghuauniversitetet i Peking, slog sig samman med virologer som uppfödde viruset i ett biosäkerhetslaboratorium i staden Hangzhou. Dessa forskare övergöt virusen med kemikalier för att göra dem ofarliga och skickade dem sedan till dr Li.
Dr Li och hans kollegor koncentrerade sedan den virusfyllda vätskan från en kvart ner till en enda droppe. Han kunde bara hoppas att de hade gjort allting precis rätt, så att veckornas arbete för att producera den droppen inte skulle ha varit bortkastat.
”Vid den tidpunkten vet man inte vad som finns inuti”, sade dr Li. ”Det är bara vätska, eller hur?”
Skydd av strukturen
Dr Li frös försiktigt droppen på en bråkdel av en sekund. Om han gjorde det minsta misstag kunde iskristaller spetsa virusen och slita sönder dem.
I hopp om det bästa placerade dr Li den lilla isen i ett kryoelektronmikroskop. Apparaten avfyrade elektronstrålar mot provet. När de studsade mot atomerna inuti rekonstruerade Dr Li’s dator vad mikroskopet hade sett. När bilden bildades blev han förvånad.
”Jag såg en skärm full av virus”, minns dr Li.
Han kunde se tusentals coronavirus packade i isen som gelébönor i en burk. De var vackert intakta, vilket gjorde att han kunde inspektera detaljer på virusen som mätte mindre än en miljondels tum.
”Jag tänkte att jag var den första killen i världen som kunde se viruset i en så bra upplösning”, minns Dr Li.
Under de följande veckorna granskade Dr Li och hans kollegor virusen. De inspekterade de proteiner som späckade dess yta och de dök ner i dess kärna, där virusets gensträng var upprullad med proteiner. Bilderna påminde dr Li om ägg i ett bo.
Tack vare det arbete som utförs av forskare som dr Li är det nya coronaviruset, känt som SARS-CoV-2, inte längre ett chiffer. De har lärt känna det i intima, atomära detaljer. De har upptäckt hur det använder vissa av sina proteiner för att smita in i cellerna och hur dess intimt förvrängda gener styr vår biokemi. De har observerat hur vissa virusproteiner kastar in skiftnycklar i våra cellfabriker, medan andra bygger plantskolor för att skapa nya virus. Och vissa forskare använder superdatorer för att skapa kompletta, virtuella virus som de hoppas kunna använda för att förstå hur de riktiga virusen har spridit sig med så förödande lätthet.
”Den här tiden liknar ingenting som någon av oss har varit med om, bara när det gäller bombardemanget av data”, säger Rommie Amaro, en datorbiolog vid University of California i San Diego.
Probing the Spike
Tidigare i år riktade Amaro och andra forskare en stor del av sin uppmärksamhet mot de proteiner, så kallade spikar, som är på virusets yta. Spikproteinerna har en viktig uppgift att fylla: De fäster sig på celler i våra luftvägar så att viruset kan glida in. Men det stod snart klart att namnet är en felaktig benämning. Spikproteinet är inte skarpt, smalt eller stelt.
Varje spikprotein snäpper ihop med två andra och bildar en struktur som har en tulpanliknande form. En lång stjälk förankrar proteinerna i viruset, och deras topp ser ut som en tredelad blomma.
Gerhard Hummer, en beräkningsbiofysiker vid Max Planck Institute of Biophysics, och hans kollegor använde den frysta mikroskopimetoden för att ta bilder av spikproteiner som är inbäddade i virusmembranet. Sedan beräknade de hur atomerna i proteinerna tryckte och drog på varandra. Resultatet blev en molekylär dans: Spikproteinerna svänger runt på tre gångjärn.
”Man kan se hur blommorna viftar med alla möjliga böjningsvinklar”, säger Hummer. ”Det är ganska överraskande att ha en så lång, smal stjälk med så mycket flexibilitet.”
En sockersköld
Dr. Hummer spekulerade i att spikens flexibilitet var viktig för virusets framgång. Genom att svepa runt ökar spiken sina chanser att stöta på det protein på ytan av våra celler som den använder för att fästa.
När de sveper runt kan dock spikarna attackeras av antikroppar, de kraftfulla soldaterna i vårt immunförsvar. För att gömma sig skapar de en sköld av socker. Sockermolekyler, i marinblått nedan, virvlar runt proteinerna och döljer dem för antikroppar.
En liten krok i slutet av spikproteinet, i ljusblått nedan, vänds ibland upp ovanför sockerskölden. Om den möter ett särskilt protein på ytan av våra celler utlöser den en serie reaktioner som gör det möjligt för viruset att smälta in i ett cellmembran och injicera sina gener.
Tangled Loops
Generna i det nya coronaviruset är uppställda på en molekylär sträng som kallas RNA. Den 10 januari publicerade kinesiska forskare dess sekvens med 30 000 bokstäver. I denna genetiska text lagras den information som krävs för att en cell ska kunna tillverka virusets proteiner.
Men genomet är mer än en kokbok. Strängen viker sig till ett djävulskt komplext virrvarr. Och detta virrvarr är avgörande för virusets utnyttjande av våra celler. ”Du har mycket mer information lagrad i hur den är formad”, säger Sylvi Rouskin, strukturbiolog vid Whitehead Institute.
Dr Rouskin ledde ett forskarlag som kartlade denna form. I ett högsäkerhetslaboratorium vid Boston University infekterade hennes kolleger mänskliga celler med virusen och gav dem tid att skapa tusentals nya RNA-strängar. Genom att märka de genetiska bokstäverna på strängarna med kemikalier kunde Rouskin och hennes kollegor fastställa hur strängen veckade sig in i sig själv.
På vissa ställen bildade den bara korta sidoslingor. På andra ställen ballongade hundratals RNA-bokstäver ut till stora slingor, med slingor som kom av, och fler slingor som kom av dem. Genom att jämföra miljontals virusgenom upptäckte Dr Rouskin och hennes kollegor platser där viruset glider från en form till en annan.
Ett antal forskare undersöker nu noggrant några av dessa regioner för att ta reda på vad de gör. Deras studier tyder på att dessa knutar gör det möjligt för viruset att kontrollera våra ribosomer, de små cellfabrikerna som pumpar ut proteiner.
När viruset kommer in i en mänsklig cell fäster våra ribosomer vid dess RNA-strängar och glider nerför dem likt en berg- och dalbanebil som kör längs ett spår. När ribosomerna passerar över de genetiska bokstäverna bygger de proteiner med motsvarande strukturer. Forskarna misstänker att RNA-slingorna kan kasta ut berg- och dalbanan ur sitt spår och sedan styra den till en plats tusentals positioner bort.
Andra slingor tvingar ribosomen att backa lite och sedan röra sig framåt igen. Detta lilla hicka kan leda till att viruset tillverkar helt olika proteiner från samma bit RNA.
Jamning the Machinery
De virusproteiner som sprutar ut ur våra ribosomer sprider sig över hela cellen för att utföra olika uppgifter. Ett av dem, kallat Nsp1, hjälper till att ta kontroll över vårt molekylära maskineri.
Joseph Puglisi, strukturbiolog vid Stanford, och hans kollegor blandade Nsp1-proteiner och ribosomer tillsammans i provrör. De fann att proteinerna, i rosa nedan, gled snyggt in i de kanaler inuti ribosomerna där RNA normalt skulle passa.
Dr Puglisi misstänker att Nsp1 hindrar våra celler från att tillverka egna proteiner – särskilt de antivirala proteiner som kan förstöra viruset. Men det väcker frågan om hur viruset får sina egna proteiner tillverkade.
En möjlighet är att ”på något sätt är viruset bara förstärkt i sin förmåga att producera protein”, säger Dr Puglisi. Då och då faller Nsp1 ur ribosomerna, och på något sätt gör viruset ett bättre jobb med att dra nytta av dessa korta möjligheter. ”Vi hoppades att det skulle vara något enkelt”, sade han. ”Men som vanligt inom vetenskapen var det inte det.”
Blobs and Droplets
Medans Nsp1 manipulerar ribosomer är andra virusproteiner upptagna med att skapa nya virus. Ett halvdussin olika proteiner samlas för att göra nya kopior av virusets RNA. Men något anmärkningsvärt händer på vägen: Tillsammans förvandlas proteinerna och RNA spontant till en droppe, liknande en klump i en lavalampa.
Fysiker har länge vetat att molekyler i en vätska spontant bildar droppar om förhållandena är de rätta. ”Det här är som att göra salladsdressing”, säger Amy Gladfelter, cellbiolog vid University of North Carolina.
Men först på senare år har biologer upptäckt att våra celler regelbundet tillverkar droppar för sina egna syften. De kan sammanföra vissa molekyler i höga koncentrationer för att utföra speciella reaktioner och stänga ute andra molekyler som inte kan komma in i dropparna.
Richard Young, biolog vid Whitehead Institute, och hans kollegor har blandat samman SARS-CoV-2-proteiner som bygger nytt RNA tillsammans med RNA-molekyler. När molekylerna samlas bildar de spontant droppar. Viruset får sannolikt samma fördelar som cellen av denna strategi.
Med tanke på hur sofistikerat coronaviruset är i så många andra avseenden var dr Young inte överraskad av sin upptäckt. ”Varför skulle inte virus utnyttja en egenskap hos materia?” sade han.
Porer och tunnlar
Coronavirus kan förmå mänskliga celler att bilda nya kamrar för att hysa sitt genetiska material. Men när Montserrat Bárcena, mikroskopist vid Leiden University Medical Center i Nederländerna, inspekterade dessa kamrar blev hon förbryllad: det verkade inte finnas några hål i membranen, vilket gjorde att RNA inte kunde ta sig in eller ut.
När Bárcena och hennes kollegor nyligen tittade närmare på dem upptäckte de en väg igenom. Ett av coronavirusets proteiner, kallat Nsp3, viks till en tunnel som sedan pluggar sig in i membranen.
”Det är en flyktväg för coronaviruset”, säger dr Bárcena. ”Vi hade den här gåtan och nu har vi ett svar.”
Sammansättning av nya virus
På några timmar kan en infekterad cell skapa tusentals nya virusgenom. Cellens ribosomer läser deras gener och spottar ut ännu fler virusproteiner. Så småningom sätter sig en del av dessa proteiner och de nya genomerna samman till nya virus.
Detta är ingen lätt uppgift, eftersom coronavirusets gensträng är hundra gånger längre än själva viruset.
Renoverade experiment tyder på att SARS-CoV-2 än en gång använder sig av fysiken i en lavalampa till sin fördel. Proteiner som kallas nukleokapsider limmar fast sig på platser längs RNA-strängen. Tillsammans faller molekylerna snabbt ihop till droppar.
Dr. Gladfelter spekulerade i att denna strategi förhindrade att två gensträngar trasslade ihop sig med varandra. Som ett resultat av detta hamnar varje nytt virus med bara en uppsättning gener.
Dessa droppar sväljs upp inuti virusmembran och spikproteiner, och de nya virusen är redo att fly från cellen. För att simulera dessa virus ner till varje atom samlar dr Amaro in de framväxande bilderna av SARS-CoV-2-proteiner och RNA. Hon och hennes kollegor konstruerar sedan virtuella virus på superdatorer som var och en består av en halv miljard atomer. Dessa maskiner kan sedan använda fysikens lagar för att simulera virusens dansande varje femtosekund: med andra ord en miljondels miljarddels sekund.
Dr Amaro och hennes kollegor hoppas kunna använda sina simulerade virus för att ta itu med en av de mest omtvistade frågorna om Covid-19: hur viruset sprider sig från person till person.
När infekterade personer andas ut, pratar eller hostar släpper de ut små droppar vatten som är laddade med virus. Det är oklart hur länge SARS-CoV-2 kan överleva i dessa droppar. Dr Amaro planerar att bygga dessa droppar, ända ner till de enskilda vattenmolekylerna, på sin dator. Sedan kommer hon att lägga till virus och se vad som händer med dem.
”Jag är ganska säker på att vi förmodligen inom ett år skulle kunna ha hela viruset, inklusive alla bitar på insidan”, sade hon.
Läkemedel och vacciner
De nya bilderna av SARS-CoV-2 har dock redan blivit viktiga för kampen mot pandemin. Vaccinutvecklare studerar virusets struktur för att se till att de antikroppar som vaccinerna producerar griper hårt tag i viruset. Läkemedelsutvecklare kokar ihop molekyler som stör viruset genom att glida in i vinklar och vrår av proteiner och störa deras maskineri.
Virusets arvsmassa kan erbjuda andra mål. Läkemedel kan kanske låsa sig på slingor och trassel för att hindra viruset från att kontrollera våra ribosomer. ”Det är mycket viktigt att man vet vilken form viruset har, så att man kan utveckla rätt kemi för att binda till den formen”, sade Dr Rouskin.
Dr Gladfelter vill under tiden se om fysiken hos virala droppar kan erbjuda en ny angreppslinje mot SARS-CoV-2.
”Man skulle kunna få fram en förening som gör dem mer klibbiga, som gör dem mer geléartade”, sade hon. ”Det finns förmodligen många akilleshälar.”
Framtida forskning
De senaste månaderna har gett en flodvåg av data om viruset, men vissa studier har klargjort att det kommer att ta flera år innan SARS-CoV-2 blir begripligt.
Noam Stern-Ginossar och hennes kollegor vid Weizmanninstitutet i Israel har till exempel funnit bevis för att viruset tillverkar proteiner som forskarna ännu inte har hittat.
Dr Stern-Ginossar och hennes kollegor undersökte virusets RNA i infekterade celler och räknade alla ribosomer som läste det. Vissa ribosomer grupperade sig längs kända gener. Men andra läste gener som aldrig tidigare hade hittats.
Ribosomer läste ibland bara en del av genen för spikprotein, till exempel. Förmodligen gör de en minispik, som mycket väl kan utföra något viktigt arbete för viruset. Ett läkemedel som sätter den ur spel skulle kunna bota Covid-19.
Men forskarna kan inte ens börja gissa sig till dessa möjligheter, eftersom ingen ännu har sett minispikan i naturen. Samma sak kommer att gälla för de andra nya generna, enligt Stern-Ginossars grupp.
”Var och en av dem kommer att kräva ytterligare arbete för att ta reda på vad de gör”, säger hon. ”Biologi tar tid.”
Producerat av Jonathan Corum.
Korrigering: I en tidigare version av denna berättelse stavades en forskares förnamn fel. Hon heter Montserrat Bárcena, inte Monsterrat.
Lämna ett svar