Najdokładniejszy obraz kolców koronarwirusa
Dzięki mikroskopii krioelektronowej po raz pierwszy udało się zaobserwować i odtworzyć w formie cyfrowej „koronę” koronawirusa, czyli tak zwane białka S (białka kolca, ang. spike) – tak jak wyglądają one, kiedy są połączone z wirusem. Wcześniej obserwacje były zawsze poprzedzone procesami chemicznymi, które mogły zniekształcić obraz. To ważne osiągnięcie, ponieważ właśnie białka S są narzędziem transmisji, dzięki któremu SARS-CoV-2 infekuje komórki.
Wygląd i nazwa wirusa z rodziny koronawirusów, takiego jak SARS-CoV-2, wyróżnia się specyficzną otoczką. Pod mikroskopem wirus ma kształt kulisty, z wystającymi wypustkami, które przypominają nieco koronę – stąd jego nazwa. Te wypustki czy też korona to receptory białkowe – zwane białkami kolca (białka S, ang. spike protein). To właśnie za ich pomocą wirus wykonuje pierwszy krok w infekcji, przyczepiając się do komórek ofiary. Naukowcy po raz pierwszy wykonali szczegółowe obrazy tych kolców w ich naturalnym stanie, wciąż przyczepionych do wirusa i bez użycia chemicznych utrwalaczy, które mogłyby zniekształcić ich kształt.
W nowej metodzie posłużono się mikroskopią krioelektronową i zaawansowanymi metodami obliczeniowymi. Dzięki zastosowaniu tej metody możliwe stało się wykonanie szybszych i bardziej „realistycznych” obrazów aparatu infekującego u koronawirusów różnych odmian. Autorzy publikacji oceniają to jako niezwykle istotny postęp w badaniu koronawirusów, a także krok na drodze do przygotowania lekarstw i szczepionek.
– Główną zaletą naszej metody jest to, że unikamy poważnego zakłócenia. Jeżeli wyodrębnimy „kolce” i badamy je w izolacji, to tracimy ważny biologiczny kontekst – jak wyglądają i działają w połączeniu z wirusami. Być może mają w tych okolicznościach inną strukturę – opowiada współautor badań, prof. Wah Chiu, z National Accelerator Laboratory – jednostki Uniwersytetu Stanforda pracującej na rzecz z Departamentem Energetyki USA.
Zespół prof. Wah Chiu przeprowadził swoje badania we współpracy z Vitalant Research Institute (VRI) z San Francisco – instytutem badawczym będącym częścią międzynarodowej organizacji non profit zajmującej się krwiodawstwem. W VRI prowadzi się badania dotyczące obecności wirusów we krwi i tego jak obecność wirusa wpływa na jego nosiciela. Jest bardzo niewiele laboratoriów na świecie, które są w stanie przeprowadzić obserwację metodą krioelektronową z wystarczającą czułością i precyzją, a jednocześnie z zachowaniem bezpieczeństwa przy wirusie tak intensywnie infekującym człowieka jak SARS-CoV-2. Dlatego na potrzeby tego badania mimo wszystko posłużono się znacznie łagodniejszą i bezpieczniejszą odmianą koronawirusa – HCov-NL63.
Znamy siedem gatunków koronawirusów, które mogą zainfekować człowieka. Cztery z nich powodują relatywnie łagodne przeziębienia, a pierwszy z nich zidentyfikowano już w latach 60-tych XX wieku. Do tych koronawirusów należy też NL63, zidentyfikowany w 2003 roku, ale – zdaniem naukowców – krążący w populacji ludzkiej już od setek lat. Trzy pozostałe koronawirusy to niebezpieczne, potencjalnie śmiertelne zarazki. Dwa nich, powodujące choroby SARS i MERS, pojawiły się już w XXI wieku, wywołując duże poruszenie, jako potencjalnie ogromne zagrożenie. Ostatni, SARS-Cov-2, to najważniejszy światowy aktant ostatniego roku.
Koronawirus NL63 jest odpowiedzialny za około 10 procent lekkich chorób układu oddechowego rocznie. Chociaż tak odmienny w tym jakie niebezpieczeństwo ze sobą niesie, to NL63 jest w jednym bardzo podobny do SARS-VoS-2 – kolce białkowe otaczające oba wirusy mają tę samą strukturę i skład.
Badając tego typu cząsteczki naukowcy zwykle wyodrębniają je w procesach chemicznych. Tym razem zamiast chemicznie usuwać i oczyszczać białka kolca NL63, naukowcy błyskawicznie zamrażali całe nienaruszone wirusy do stanu szklistego, który zachowuje naturalny układ ich komponentów. Następnie wykonali tysiące szczegółowych zdjęć losowo zorientowanych wirusów za pomocą mikroskopów krioelektronowych w laboratorium w SLAC. Cyfrowo wyodrębnili dane zawierające białka kolca i połączyli je, aby uzyskać obrazy o wysokiej rozdzielczości.
Struktura, którą dzięki temu udało się zobaczyć, jest obrazem cyfrowym, ale jest identyczna z tą, która znajduje się na powierzchni wirusa, bez jakichkolwiek chemicznych dodatków.
Badaczom udało się w trakcie badań zaobserwować także cząsteczki cukru, które łączą się z białkami w procesie glikozylacji. Odgrywają one istotną rolę w procesie życiowym wirusa a także w tym, jak wirus jest w stanie umknąć naszemu układowi odpornościowymi. Ta obserwacja pozwoliła potwierdzić wcześniejsze badania, w których ustalono teoretycznie, w którym miejscu na „mapie” wirusa dochodzi do tych procesów.
Przeprowadzenie pełnych badań na koronawirusie NL63 pozwala na założenie, że podobnie białka kolca wyglądają u wirusa wywołującego COVID-19. Badacze chcieliby teraz przeprowadzić podobne obserwacje na SARS-CoV-2, ale ze względu na znacznie większą agresywność tego gatunku, będzie to wymagało opracowania dokładniejszych procedur zabezpieczających i najpewniej współpracy z jeszcze innym laboratorium.
Badania źródłowe: Zhang, K., Li, S., Pintilie, G., Chmielewski, D., Schmid, M., Simmons, G., . . . Chiu, W. (2020). A 3.4-Å cryo-electron microscopy structure of the human coronavirus spike trimer computationally derived from vitrified NL63 virus particles. QRB Discovery, 1, E11. doi:10.1017/qrd.2020.16
Opracowano na podstawie artykułu: Scientists get the most realistic view yet of a coronavirus spike’s protein structure opublikowanego na stronie internetowej laboratorium SLAC.
