Pogled strukturnega biologa na koronavirus

Ne le medicina, tudi druge znanstvene veje se zadnje mesece intenzivno ukvarjajo z raziskovanjem novega koronavirusa. Področje spremljamo tudi na Institutu Jožef Stefan in zanimive informacije o novi bolezni skozi oči naših strokovnjakov redno objavljamo na naši spletni strani. Kako torej kot strukturni biolog gledam na novi virus?

Virusi so stalni spremljevalci življenja, zelo verjetno od njegovih začetkov naprej. V nasprotju s celicami, obdanimi s celično steno oziroma membrano in s svojim lastnim metabolizmom, je življenjski cikel virusa vezan na živo celico gostitelja. Virus je torej celični zajedavec na najosnovnejši molekularni ravni, ki si podredi metabolizem celice gostitelja, da začne proizvajati nove virusne delce.

Kadar je virus v obliki delca, nima lastnega metabolizma, zato lahko zelo dolgo preždi v okolju brez hrane ali pa se celo potuhne v gostiteljskem organizmu. Virusni delec lahko primerjamo s semenom. V nasprotju s semeni rastlin pa so virusi visoko specializirani. Zanje so primerne samo tiste celice, ki imajo specifične receptorje, prek katerih virus vdre v celico in vanjo vnese svoj genetski material. Ko je celica dovolj poškodovana, poči, virusni delci pa se sprostijo v okolico, kjer nato okužijo še druge celice, ali pa zapustijo organizem in se naselijo v naslednjem gostitelju. Postopek razmnoževanja virusa spominja torej na kukavico, ki znese jajce v tuje gnezdo.

Virusi so mikroskopsko majhni delci, veliki od 20 do 60 nm, redko do 400 nm. Za primerjavo, najmanjša bakterijska celica je velika 400 nm, človeške celice pa so veliko večje in so v povprečju velike 100 μm. To pomeni, da so virusi približno 250- do 5000-krat manjši od povprečno velike človeške celice in zato premajhni, da bi jih lahko opazili s svetlobnim mikroskopom. Za opazovanje in detekcijo virusnih delcev zato uporabljamo elektronske mikroskope. Rastlinski virus, imenovan tobačni mozaični virus, je bil v tridesetih letih prejšnjega stoletja prvi identificirani virus, ki je povzročal nalezljivo bolezen, a ni bil bakterija. Danes vemo, da je virusov vsaj desetkrat več od bakterij in so vsepovsod: v morju, vodi, zemlji, zraku in napadajo vse vrste celičnih oblik življenja, od najmanjših bakterij do vseh mnogoceličnih organizmov.

Do danes, komaj štiri mesece po pojavu bolezni covid-19 v Vuhanu, je objavljenih že skoraj 3000 znanstvenih člankov, ki opisujejo virus, njegove molekule, kužnost, epidemiologijo in poskuse zdravljenja. Prvi genom virusa sars-cov-2 so določili na Kitajskem decembra 2019 kmalu po izbruhu bolezni. Genetska koda je dolga približno 30.000 nukleotidov in zapisuje manj od 30 proteinov. Zapis v obliki +RNK (ribonukleinska kislina) omogoča, da se prepisovanje virusnih proteinov začne takoj po vdoru v celico. Koda je približno v 80 odstotkih enaka tisti iz virusa sars-cov, ki je pred leti povzročil epidemijo sarsa, in v 96 odstotkih kodi iz virusa batcov RaTG13 iz netopirja.

Kadar je virus v obliki delca, nima lastnega metabolizma, zato lahko zelo dolgo preždi v okolju brez hrane ali pa se celo potuhne v gostiteljskem organizmu. FOTO: Voranc Vogel/Delo

Po objavi članka, ki navaja netopirje kot vir okužbe ljudi, sta žal človeška neumnost in nerazumevanje življenja povzročila uničevanje netopirjev. Medtem so raziskovalci našli viruse pri luskavcih, ki so bližje človeški vrsti in zato bolj verjetni vmesni korak. Primerjava genomov pa je z veliko gotovostjo pokazala, da virus sars-cov-2 ni nastal v človeškem laboratoriju, temveč v naravi. 

Koronavirus sars-cov-2 je okrogle oblike s premerom nekaj manj kot 50 nm oziroma do 200 nm. Celotna struktura virusa še ni bila določena, obstaja pa več ilustracij, ki se pojavljajo v medijih. Koronavirusi so obdani s površinsko ovojnico, sestavljeno iz treh proteinov, imenovanih S (spike – konica), E (envelope – ovojnica) in M (membrane – membrana). Vsi ti proteini vsebujejo transmembranske regije. Ker so umeščeni v fosfolipidno (maščobno) membrano, je ta virus še posebej občutljiv za detergente, na primer milo. Proteina E in M skupaj zadostujeta za tvorbo virusu podobnih delcev.

Najpogosteje prikazana ilustracija tako zelo verjetno ne ustreza pravi sestavi, saj protein E s svojo 25 preostankov dolgo transmembransko regijo tvori oligomere, ti pa pentamerne ionske kanalčke. Iz ovojnice štrleči »izrastki« proteina S vsebujejo receptor vezavno regijo, prek katere se virus specifično veže na človeški protein ACE-2, zasidran v membrano gostiteljske celice. Notranjost virusa zapolnjujeta predvsem virusni genom in četrti strukturni protein N, ki pomaga pri zlaganju dolge verige RNK. Strukturna biologija je v nekaj mesecih z uporabo metod elektronske mikroskopije in kristalografije razkrila tridimenzionalne strukture S-proteina (samega in v kompleksu z receptorjem človeške celice) in sestavo »glavne« cisteinske proteaze.

Strukture S-proteina so ključne za načrtovanje novih cepiv, medtem ko je virusna proteaza glavna tarča za razvoj zdravil. Pri aidsu se je ravno virusna proteaza izkazala za uspešno tarčo.

Pred tremi desetletji je prav razvoj inhibitorjev te aspartatne proteaze na osnovi do atoma razločene 3D-strukture proteina in kompleksov z inhibitorji prvič uspešno pripeljal do izdelave novega zdravila. Danes je zato poznavanje 3D-strukture tarče pogoj za razvoj novih zdravilnih učinkovin. Znanost se še nikoli v zgodovini človeštva ni tako usmerila v reševanje enega samega problema, kot se je to zgodilo v preteklih nekaj mesecih.

Brez tehnologij na področju genomike, molekularne in strukturne biologije, ki so bile razvite ob koncu prejšnjega in v tem stoletju, danes v četrtem mesecu po pojavu nove virusne okužbe ne bi imeli znane njene genetske osnove in s tem diagnostike kot tudi ne tridimenzionalnih struktur virusnih proteinov in njihovih interakcij s človeškimi receptorji.

Zaradi vztrajne optimizacije, avtomatizacije in posledično povečane prepustnosti postopkov lahko sploh upamo, da bomo v bližnji prihodnosti zdravili okužbe z virusom sars-cov-2 z zdravili in jih preprečevali s cepivi.
Kolumna je povzetek prispevka, objavljenega na spletni strani Instituta Jožef Stefan.

***
prof. ddr. Dušan Turk, slovenski kemik in strukturni biolog