Τον Φεβρουάριο του 2020, τρεις ειδικοί της βιο-απεικόνισης συζητούσαν στο περιθώριο επιστημονικού συνεδρίου στην Ουάσιγκτον για την ανησυχητική επιδημία που τότε είχε ξεσπάσει στην Κίνα και πώς θα μπορούσαν οι ίδιοι να συμβάλουν.

Σχεδόν ενάμιση χρόνο αργότερα, αυτοί οι τρεις επιστήμονες και οι συνεργάτες τους σε τρία εθνικά εργαστήρια δημοσίευσαν μελέτη στο Biophysical Journal για ένα πρώτο βήμα προς την ανάπτυξη θεραπειών για την συγκεκριμένη λοίμωξη, ανεξάρτητα από τις μεταλλάξεις του ιού και τις παραλλαγές που επικρατούν κάθε φορά.

Στόχος της μελέτης είναι ο μηχανισμός που βασίζεται στις πρωτεΐνες και επιτρέπει στον κοροναϊό να εισβάλλει στα κύτταρά μας και να αναπαράγεται μέσα στο σώμα μας.

Η δομή, η λειτουργία και οι λύσεις

«Όλοι οι οργανισμοί είναι απλώς ένα μέσο του DNA να δημιουργεί αντίγραφα του εαυτού του. Μοναδικός στόχος ενός ιού είναι να δημιουργεί αντίγραφα του γενετικού του υλικού – δυστυχώς, εις βάρος μας», δήλωσε ο Γκρεγκ Χούρα, επιστήμονας προσωπικού στο Εθνικό Εργαστήριο Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) και ένας από τους κύριους συγγραφείς της μελέτης.

Πρόσθεσε, πως οι ιοί και τα θηλαστικά, μεταξύ των οποίων και οι άνθρωποι, έχουν κολλήσει σε αυτή τη μάχη για εκατομμύρια χρόνια, και με την πάροδο του χρόνου οι ιοί έχουν αναπτύξει κόλπα για να αντιγράψουν τα γονίδια τους μέσα μας, ενώ τα σώματά μας έχουν αναπτύξει αντίθετες άμυνες. Και παρόλο που οι ιοί εκτελούν συχνά έναν μακρύ κατάλογο άλλων δραστηριοτήτων, η ικανότητά τους να μας βλάπτουν με λοίμωξη εξαρτάται πραγματικά από το εάν μπορούν ή όχι να αναπαράγουν το γενετικό τους υλικό (είτε RNA είτε DNA, ανάλογα με το είδος) για να κάνουν περισσότερα ιικά σωματίδια και να χρησιμοποιήσουν τα κύτταρα μας για να μεταφράσουν τον γενετικό τους κώδικα σε πρωτεΐνες.

Ο μηχανισμός που βασίζεται στις πρωτεΐνες και είναι υπεύθυνος για την αντιγραφή και μετάφραση του RNA στους κοροναϊούς και πολλούς άλλους ιούς, ονομάζεται σύμπλοκο μεταγραφής RNA (RTC) και είναι ένα πραγματικά τρομερό κομμάτι βιολογικού εξοπλισμού.

Για να αντιγράψει επιτυχώς το ιικό RNA και να παράγει πολλές πρωτεΐνες των νέων σωματιδίων του ιού, το RTC πρέπει: να διακρίνει το RNA μεταξύ ιού και ξενιστή, να αναγνωρίσει και να αντιστοιχίσει βάσεις RNA αντί για τις παρόμοιες βάσεις DNA που είναι επίσης άφθονες στα ανθρώπινα κύτταρα, να μετατρέψει το RNA τους σε mRNA (για να εξαπατήσει τα ανθρώπινα ριβοσώματα να μεταφράσουν ιτς πρωτεΐνες του ιού), να συνδεθεί με μόρια που ελέγχουν τα σφάλματα αντιγραφής και να μεταγράψουν συγκεκριμένα τμήματα RNA του ιού ώστε να ενισχυθούν ορισμένες πρωτεϊνες έναντι άλλων ανάλογα με την ανάγκη, ενώ ταυτόχρονα θα προσπαθεί πάντοτε να αποφεύγει το ανοσοποιητικό σύστημα του ξενιστή που θα το αναγνωρίσει ως ξένη πρωτεΐνη.

«Όσο εκπληκτικό κι αν φαίνεται, οποιοσδήποτε πρόσφατα εξελιγμένος ιός που είναι επιτυχής πρέπει να διαθέτει μηχανισμούς απίστευτα εξελιγμένους για να ξεπεράσει τους αντίστοιχους δικούς μας», εξήγησε ο Χούρα, επικεφαλής του τμήματος Δομικής Βιολογίας στο τμήμα Molecular Biophysics και Integrated Bioimaging του Berkeley Lab

Αυτός και οι άλλοι επικεφαλής της μελέτης – ο Andrzej Joachimiak του Εθνικού Εργαστηρίου Argonne και ο Hugh M. O’Neill από το Εθνικό Εργαστήριο Oak Ridge – ειδικεύονται στην αποκάλυψη της ατομικής δομής των πρωτεϊνών προκειμένου να κατανοήσουν πώς λειτουργούν σε μοριακό επίπεδο. Έτσι, το τρίο γνώριζε από την πρώτη στιγμή ότι η μελέτη του RTC θα ήταν ιδιαίτερα δύσκολη, επειδή οι μηχανές πολλαπλών εργασιών πρωτεΐνης όπως το RTC δεν είναι στατικές. Αντίθετα είναι ευέλικτες και σε αυτό συμβάλλουν οι μη δομικές, βοηθητικές πρωτεΐνες (Nsps), οι οποίες προσαρμόζονται ανάλογα με την ανάγκη, όπως συμβαίνει με τα ποδήλατα που ανάλογα με το έδαφος προσαρμόζουν τις ταχύτητές τους.

Κάθε μία από τις ρυθμιστικές πρωτεΐνες Nsp, με τη λειτουργία τους, ταυτόχρονα εκθέτουν και διάφορα μέρη της επιφάνειας του συμπλόκου μεταγραφής RNA, δηλαδή του RTC. Τα μέρη αυτά, μπορούν να αναδείξουν σημεία, στα οποία πιθανά νέα φάρμακα θα μπορούσαν να δεσμεύσουν και να αναστείλουν ολόκληρο το μηχανισμό αντιγραφής.

Έτσι, οι ερευνητές αποφάσισαν να διερευνήσουν πώς το  RTC παρεμβαίνει και πώς  αυτές οι μορφές αλληλεπιδρούν με άλλα μόρια του ιού και του ανθρώπου.

Προκαθορισμένη σειρά

Η διερεύνηση συνδύασε δεδομένα από προηγμένες τεχνικές απεικόνισης, καθώς καμία τεχνική από μόνη της δεν μπορεί να απεικονίσει σε επίπεδο ατόμων τις μολυσματικές πρωτεΐνες στη φυσική τους κατάσταση. Χρησιμοποίησαν βιοσυνθετικά δείγματα του συμπλόκου αντιγραφής και τα απεικόνισαν με σκέδαση ακτίνων Χ μικρής γωνίας (SAXS), κρυσταλλογραφία ακτίνων Χ και σκέδαση νετρονίων μικρής γωνίας (SANS) μεθόδους που εφαρμόσθηκαν στα εργαστήρια του Berkeley, του Argonne και του Oak Ridge, αντίστοιχα.

Τα αποτελέσματα της 15μηνης συνεργασίας «ανέβηκαν» στην Protein Data Bank σε ανοιχτή πρόσβαση πριν από τη δημοσίευση της μελέτης. Ένα από τα ευρήματα που θα βοηθήσει στο σχεδιασμό φαρμάκων, είναι ότι η συναρμολόγηση των υπομονάδων RTC είναι εξαιρετικά ακριβής.

Οι ερευνητές παραλλήλισαν αυτή τη διαδικασία συναρμολόγησης, με τη δημιουργία μιας μηχανής με ελατήριο. Το ελατήριο δεν μπορεί να τοποθετηθεί εκ των υστέρων. Πρέπει να τοποθετηθεί στο ενδεδειγμένο βήμα συναρμολόγησης, διαφορετικά η μηχανή δεν θα λειτουργήσει. Αντίστοιχα και το σύμπλοκο μεταγραφής και οι μη δομικές, βοηθητικές πρωτεΐνες του, λειτουργούν με μια προκαθορισμένη σειρά.

Διαπίστωσαν επίσης, πώς μία από τις μη δομικές πρωτεΐνες Nsps αναγνωρίζει τα συγκεκριμένα τα μόρια RNA πάνω στα οποία θα δράσει και πώς «κόβει» τις μακρές σειρές αντιγραμμένου RNA στο σωστό μήκος τους.

«Η ανάπτυξη των εμβολίων είναι σίγουρα τεράστιο επίτευγμα. Ωστόσο, γιατί είμαστε ικανοποιημένοι με αυτή τη διαδρομή άμυνας;» διερωτήθηκε ο Χούρα, ενώ ο Γιοασίμιακ πρόσθεσε: «Αυτή η μελέτη εντόπισε πολλές κατευθύνσεις που πρέπει να εμβαθύνουμε. Για να αντιμετωπίσουμε αυτόν τον ιό θα χρειαστούμε πολλούς τρόπους για να εμποδίσουμε τη διάδοσή του». «Και για την επίτευξη αυτού του στόχου θα χρειαστούμε συνδυασμό πληροφοριών από διαφορετικές δομικές τεχνικές και υπολογισμούς», συμπλήρωσε ο Ο’ Νιλ.

Λόγω της ομοιότητας των πρωτεϊνών RTC στα ιικά στελέχη, η ομάδα πιστεύει ότι οποιαδήποτε φάρμακα αναπτυχθούν για να εμποδίσουν τη δραστηριότητα του RTC θα μπορούσαν να λειτουργήσουν για πολλαπλές ιογενείς λοιμώξεις, καθώς και για όλες τις παραλλαγές του κοροναϊού.