Koronavirüsü Sıkarsan Parçalanır Mı?

Bilim adamlarını çileden çıkaran tüm salgın sorular arasında, Juan Perilla’nın sorduğu soru en garip sorulardan biri olabilir: Küçültülmüş bir el koronavirüsü sıkıştıracak olsaydı, ezilir miydi yoksa parçalanır mıydı?

Newark’taki Delaware Üniversitesi’nde biyofiziksel kimyager olan Dr.Perilla, HIV gibi virüslerin daha yumuşak tarafta olma eğiliminde olduğunu, bir köpük topu gibi yumuşama eğiliminde olduğunu, influenzaya neden olanların ise daha kırılgan olduğunu ve yumurta gibi çatlamaya eğilimli olduklarını söyledi. . Koronavirüslerin, bulaşıcı hastalık dünyasında ortada bir yerde, bir tür dokunsal Goldilocks olduğundan şüpheleniyor.

Dr. Perilla, “Virüsler hakkında konuşurken asla dikkate almadığınız bir şey,” dedi. Ama “bir virionun nasıl birbirine bağlandığını anlamaya çalışmanın bir parçası” diye ekledi. ”

Diğer birçok mikrop gibi, virüsler de en iyi talihsizlik kırıntıları olarak bilinir – enfeksiyonun iç işleyişini anlamaya hevesli biyologlar için bariz bir amaç. Ancak son yıllarda, hücrelerin çoğalmasını ve çalışmasını sağlayan makinelerin çoğuna sahip olmamasına rağmen virüslerin kendilerini nasıl bir araya getirdiğini ve bir yerden bir yere nasıl hareket ettiğini çözmeye istekli olan fizikçiler de alana katıldılar.

Dr. Perilla gibi bazı fizikçiler virüs parçacıklarının mekanik özelliklerini birbirinden ayırırken, diğerleri virüs parçalarını bir araya getiren veya parçalayan kuvvetleri izliyor. Hatta bazıları, ister insan hücrelerinde virüsleri bir araya getiren güçleri bozarak ister kendi kendini kopyalayan bir aşı paketi oluşturarak, yeni nesil Covid-19 tedavilerini tasarlamak için fizikten yararlanıyor.

Delaware Üniversitesi’nde biyofiziksel kimyager olan Jodi Hadden-Perilla, “Bir şeyin nasıl çalıştığını anladığınızda onu nasıl sabote edeceğinizi anlayabilirsiniz” dedi. (Evli bir çift olan Dr. Perilla ve Dr. Hadden-Perilla profesyonel işbirlikçilerdir.)

Fizik ve viroloji artık akademik olarak o kadar iç içe geçmiş durumda ki, birliktelikleri resmi bir isim kazandı: virüs fiziği (veya bazılarına göre fiziksel viroloji). Ve öncülerinin ürettiği verilerin mikrobiyal dünyanın çok ötesinde sonuçları olabilir.

Harvard Üniversitesi’nde bir virolog ve fizikçi olan LaNell Williams, “Günün sonunda, fizik virüslerinin halihazırda bildiklerini anlamaya çalışıyoruz” dedi. “

Basitçe karmaşık

Virüsler hem saçma bir şekilde basit hem de baş döndürücü bir şekilde karmaşıktır. Birçoğu, bir protein kaplamasına doldurulmuş bir karışık genetik materyalden biraz daha fazlasını içeriyor – hatta bazı bilim adamlarının onları canlı olarak kabul etmeleri için yeterli değil. Tamamen hücrelerin iç işleyişine bağımlıdırlar ve bulaştıkları yaşam formlarının yardımı olmadan kendilerini daha fazla yapamazlar.

Yine de, doğru koşullar altında, temel viral bileşenler birçok doğal olgunun başaramadığını başarabilir: kendi bitlerini düzgün, yapılandırılmış parçacıklar halinde birleştiren, kek bileşenlerinin kendilerini hamur haline getirmesi gibi, onları yönlendirecek herhangi bir dış kuvvet olmaksızın, kendi kendine birleşme adı verilen bir süreç. oda sıcaklığındaki sudan kendiliğinden filizlenen kar taneleri.

Bu aldatıcı bir soru, dedi Bayan Williams: “Düzenli şeyler neden herhangi bir yardım olmadan oluşur?”

Bilim adamları bu gizemli süreci laboratuvar test tüplerinde yeniden yaratabilirler. Tuzlu kimyasal çorbada büyük miktarda genetik materyal ve proteinleri bir araya getirir ve virüslerin patlamasını izlerler. Harvard Üniversitesi’nde biyofizikçi ve mühendis ve Bayan Williams’ın danışmanı Vinothan Manoharan, “Bu olağanüstü,” dedi. “Bu parçalar herhangi bir aktif müdahale olmadan kendiliğinden bir araya geliyor: Sadece oluyor. ”

Los Angeles, Kaliforniya Üniversitesi’nde fiziksel kimyagerden virolog olan Bill Gelbart, onu 20 yıl önce virüslere çeken şeyin bu şaşırtıcı inşa edilebilirlik olduğunu söyledi – beklenmedik bir orta kariyer geçişi. Kanser gibi diğer hastalıklar, temel bileşenlerine indirgenemez ve istenildiği zaman birleştirilip sökülemez. En basit ve en iyi anlaşılan yaşam formlarından bazıları olan bakteriler bile bir kez parçalandıktan sonra yeniden oluşamaz.

Virüsler farklıdır. Dr. Gelbart, “Bulaşıcı bir virüs parçacığının saflaştırılmış bileşenlerden sıfırdan yapılabileceği fikri beni çok etkiledi” dedi. Sanırım içimdeki Dr. Frankenstein benden daha iyi hale geldi. ‘Bunu yapmalıyım’ diye düşündüm. ’”

Aynı arzu, dünya çapında düzinelerce virüs fizik laboratuarının tohumunu attı (bunların birçoğu Dr. Gelbart’ı ilham kaynağı olarak gösteriyor). Dr. Manoharan’ın laboratuvarı, yalnızca bakterileri enfekte eden virüsler olan bakteriyofajların birleşimine odaklanan bir laboratuvardır.

Koronavirüs Açıklandı

Dünyanın dört bir yanındaki bilim adamları, koronavirüsün ayrıntılı görüntülerini yakaladılar.

Ders kitaplarındaki statik resimler ve diyagramlar virüslerin hakkını vermiyor, dedi Dr. Manoharan. Virüs birleştirme ürünlerine odaklanma eğilimindedirler. Ancak virüslerin içindeki parçalar – genomlar ve proteinler – dinamik bir karmakarışık olarak başlar ve kaotik hareketler, kendisini var olmaya organize edebilecek herhangi bir virüs için engel teşkil eder. Dahası, hücrenin yükünü kendi başına karıştırmadan, bileşenleri birbirini bulmalıdır.

Genel olarak, araştırmacılar virüslerin bu paketleme sorununu nasıl çözdüğüne dair henüz cevaplara sahip değil. Süreç, bilimin bildiği bilinen en büyük RNA bazlı genomlardan bazılarına sahip olan koronavirüsler için özellikle karmaşıktır. (RNA, insan genomunu kodlayan DNA’nın kuzenidir.)

Ancak bilim adamları, koronavirüsün toplanma sürecini gözetlemenin ve bunu kendileri için kopyalamaya başlamanın yollarını zaten buldular.

Sıkı bir sıkışma

Koronavirüs ile enfekte epitel burun dokusunun taramalı elektron mikrografı. Kredi. . . Andrew Paul Leonard

Koronavirüsün yapımında çok önemli bir erken adım, nükleokapsid adı verilen bir protein tarafından gerçekleştirilir; bu protein, virüsün RNA’sını sıkı bir konformasyon halinde sıkıştırır ve onu yerinde tutarak daha kolay paketlenebilir.

St. Louis’deki Washington Üniversitesi’nde biyokimyacı ve biyofizikçi olan Jasmine Cubuk, bu moleküler tangoları gerçek zamanlı olarak izlemek için floresan rezonans enerji transferi veya FRET adı verilen bir mikroskopi tekniği kullanıyor. Henüz bilimsel bir dergide yayınlanmayan bir çalışmada, Bayan Cubuk ve meslektaşları, nükleokapsidlerin kıpır kıpır olduğunu ve viral RNA partnerlerini ararken bir konakçı hücrenin etrafında dolanmalarına yardımcı olabileceğini gösterdi.

Sn. Cubuk, nükleokapsidlerin esnekliğini, döküm yapılan hattın uygunluğunun “daha büyük bir yakalama yarıçapı” verdiği ve hedefi yakalamayı kolaylaştırdığı sinek döküm ile karşılaştırdı.

Bayan Cubuk ve meslektaşları, nükleokapsid ve RNA ortak olduktan sonra, bir salata sirkesinden ayrılan yağ küreleri gibi kendilerini çevreleyen moleküllerden tıkadılar. Bayan Cubuk, bu hareketlerin konsantre viral materyal cepleri yarattığı görülüyor ve koronavirüsün geniş genomunun nasıl “bu kadar küçük bir şeye paketlendiğini” açıklamaya yardımcı olabilir.

Proteine ​​Sarılı Kötü Haber: Koronavirüs Genomunun İçinde

Virüs, enfekte olmuş hücrelere küçük ama dikkat çekici derecede karmaşık bir RNA zinciri enjekte eder.

Riverside, Kaliforniya Üniversitesi’nde, fizikçi Roya Zandi liderliğindeki bir ekip, lensini sürecin bir sonraki adımına çevirdi: virüsün yeni yoğunlaştırılmış genomunu, zarf adı verilen yağlı, kırılgan dış kaplamasına yerleştirmek. Bunu başarmak için, virüs kendi proteinlerini birbirine geçirirken, konak hücresinin yağlı zarlarından bazılarını çalmalıdır. Dr. Zandi ve meslektaşları, hesaplamalı modeller ve simülasyonlar kullanarak, insan ve virüs bileşenlerinin nasıl bir araya geldiğini test ediyor.

Büyüleyici bir nokta, virüsün dış ambalajını kendi etrafında kıvrılmaya zorlaması ve patojeni karmaşık, sivri uçlu bir küreye dönüştürmesidir. “Membran, bu kadar büyük bir genomun etrafında epeyce bükülmeli” dedi. “Proteinler arasındaki ne tür etkileşimler buna neden olabilir?”

Bu deneylerin içerdiği bilgi, bilim insanlarına sadece virüslerin nasıl inşa edileceğini değil, aynı zamanda onları nasıl yok edeceklerini de öğretebilir.

Bir virüsü kırmak

Onlarca yıllık çalışma, virüs birleştirme sürecinin olağanüstü derecede kararsız olduğunu yeniden doğruladı. Bir değişkeni ayarladığınızda tüm mekanizma dağılır veya asla oluşmaz.

Bu kırılganlık, pek çok araştırmacının güvendiği şey. Indiana Üniversitesi Bloomington’da biyofizikçi olan Adam Zlotnick, virüs oluşumunu bozma konusunda uzmanlaşmıştır. Yeni virüslerin oluşumunu yavaşlatmak veya durdurmak için bir ilaç veya başka bir tedavi uygulamak bariz bir strateji olacağını söyledi. Ancak o ve meslektaşları, süreci hızlandırmak için uyuşturucu kullanmanın da felaket getirebileceğini keşfettiler. Doğru konfigürasyona girilemediğinde veya başlangıçtaki hataları düzeltemediğinde, virüsün bitleri ve parçaları, tüm yapı yanlış biçimlendirilene kadar hataların üstüne katmanlama hataları gibi yanlış bir şekilde birbirine yapışabilir.

“Biraz daha hızlı gitmesini sağlarsanız, bu kötü, daha fazla virüs alırsınız,” dedi. İvmeyi montaj hattı çok hızlı hareket ederse ortaya çıkabilecek kaosa benzeten Dr. Zlotnick. Ama çok daha hızlı? Çuvallayacak ve kusurlu parçacıklar oluşturacak. ”

Dr. Zlotnick, kariyerinin çoğunu hepatit B virüsü üzerinde çalışarak geçirdi ve patojenin toplanma sürecini engelleyebilecek ilaçların geliştirilmesine yardımcı oldu, bunların bir kısmı şu anda klinik deneylerde. Dr. Zlotnick, koronavirüsün çok farklı bir canavar olmasına rağmen, bir gün aynı genel stratejiye karşı savunmasız olabileceğini söyledi.

Diğer araştırmacılar, virüs oluşturma hattında başka bir adımı izliyorlar: virüs genlerinin, protein kapsüllerine paketlenmeden önce oluşturulması. Berkeley’deki California Üniversitesi’nde biyofizikçi olan CarlosBustamante, koronavirüsün genomunu kopyalayan polimeraz adlı bir proteini sabote etmeye başladı.

Polimeraz, bir RNA uzantısını yakınlaştırır ve onu harf yerine kopyalar; bu, moleküller arasında yakın bir bağlantı ve proteini ilerletmek için yeterli kuvvet gerektiren bir süreçtir. Bu kuvvet, küçük bir “optik cımbız” seti ile ölçülebilir – mikroskobik bir cam boncuk kullanarak polimerazın bir ucuna takılan ve proteinin yolunun tersi yönde çeken bir lazer. Dr. Bustamante, “Halat çekme oyunu oynuyoruz” dedi. “Her hareket ettiğinde bizi çekmesi gerekiyor. ”

Umut, dedi, RNA kopyalama sürecini engelleyen bir ilaç tasarlamak için çekişi yeterince iyi anlamaktır.

Delaware’de Dr. Perilla ve Dr. Hadden-Perilla, koronavirüsün bir insan hücresine girip genomunu çözdüğü sürecin daha da erken bir aşamasında çalışıyorlar. Bu, virüsü havada hareket etmesi ve bağışıklık hücrelerinden kaçması gereken dayanıklı, bulaşıcı bir partikülden çıplak ve savunmasız bir şablona dönüştürür ve değerlendirme için kendini bırakır. Dr. Hadden-Perilla, koronavirüsün “bir şekil değiştirici” olduğunu söyledi. Ancak bilim adamları, virüsün ne zaman soyunması gerektiğini nasıl anlayabileceğini tam olarak anlamıyor.

Dr. Perilla, insan hücrelerinin içindeki bir tür sinyalin virüsün kabuğunu patlatıp RNA’sını serbest bırakması için tetikleyebileceğinden şüphelendiğini söyledi. Ebola virüsü için durum bu, dedi: “Açmak istiyor. Bu süreci durdurmak, bir enfeksiyonu kontrolden çıkmadan önce durdurmak için hayati öneme sahip olabilir.

Daha viral bir aşı

Dr. Gelbart Los Angeles’taki laboratuvarında kendi başına bir inşaat projesiyle uğraşıyor: bir sonraki büyük koronavirüs aşısı.

Virolog Otto Yang ile birlikte tasarlanan aşısı, her ikisi de sadece RNA ve proteinden oluşan ultra basit virüslerden esinlenen iki ana bileşen içeriyor. İlki, zararsız bir bitki virüsünden türetilmiş, hazır koronavirüs başak proteinleriyle süslenmiş boş bir protein kabuğu. Bu virüs benzeri parçacık, bir bakıma koronavirüsün bir karikatürüdür. Kendi başına bulaşıcı değildir, ancak bağışıklık sistemine gerçek virüsü tanımayı ve vücudu istila etmeye çalışması durumunda onunla savaşmayı öğretebilir.

Gelbart ekibinin aşısı ayrıca, insan hücrelerine ikinci bir koronavirüs proteini dalgası üretme talimatı verebilen RNA içeren ikinci, sivri uçsuz bir virüs kabuğu içerir.

Pfizer-BioNTech ve Moderna şirketleri tarafından geliştirilen çekimler benzer teknolojiyi kullanıyor ve şimdiden dünya çapında silahlara giriyor. Ancak bu aşılardaki RNA kırılgandır, enjeksiyondan sonra yalnızca birkaç gün devam edebilir, bu da bağışıklık sisteminin koronavirüsün sivri proteinine maruz kaldığı süreyi sınırlar.

RNA’nın vücuttaki görev süresini uzatmak için Dr. Gelbart’ın yeni nesil aşısı, vücudun koronavirüs hafızasını hem güçlendirmesi hem de uzatması umuduyla, genetik materyali birkaç kez kopyalamak üzere başka bir molekülle paketlenmiş olarak geliyor. Laboratuvardaki ilk deneyler, ekibin henüz emekleme aşamasında olan aşısının, bazı bağışıklık hücrelerinden daha güçlü bir tepki ortaya çıkardığını gösteriyor. Hiçbir bulaşıcı virüs üretilmeyecek, sadece bağışıklık hücrelerinin öğrenmesi gereken uzun bir ders.

Ekibinin fikrinin temelinde, ana bilgisayarlarına zarar görmeden girip içeriklerini hücrelere teslim etmede zaten başarılı olan virüslerin yaratıcılığı yatıyor. Dr. Gelbart, bu sürecin gelecekteki hastalıkları önlemek için güvenli ve sürdürülebilir bir seçenek haline gelmek için çok fazla değişikliğe ihtiyaç duymadığını söyledi.

“Virüsten öğreniyoruz,” dedi. “RNA nasıl korunur ve istediğiniz yere nasıl alınır. ”

Kendisi ve bu alandaki diğerleri için, virüslerin basitliği, çekiciliğinin ve güçlerinin kaynağıdır – insanlığın henüz tam olarak eşleştiremediği bir şey.

Delaware Üniversitesi’nden Dr. Perilla, “Hücreler onları öldürmek istiyor, toplumlar onları öldürmek istiyor” dedi. Yine de hayatta kalıyorlar. ”

[ Facebook’taki Science Times sayfasını beğenin. | Kaydolun Science Times haber bülteni.]