Giải mã cấu trúc virus học (Virology)

Kính hiển vi điện tử lạnh (Cryogenic electron microscopy (Cryo-EM)) đang thúc đẩy nghiên cứu virus học trong những trường hợp việc tinh sạch protein virus là một thách thức, khó đạt được tính đồng nhất của protein và lấy tập hợp hình ảnh có thể là cách duy nhất để thu được thông tin cấu trúc ở độ phân giải cao. Những hiểu biết sâu sắc về cấu trúc này đang cách mạng hóa việc phát hiện thuốc chống virus và thiết kế vắc-xin cho các mầm bệnh mới (1,2).

Gánh nặng bệnh tật do virus

Bệnh do virus gây ra ở người các triệu chứng như đốm, sổ mũi, sưng tấy và sốt. Trong trường hợp nặng, nhiễm virus có thể dẫn đến tử vong. Các loại virus mới xuất hiện theo định kỳ một cách khó lường và gây ra bi kịch lớn cho cá nhân và xã hội.3,4 Sau những đợt bùng phát gần đây, như HIV, COVID-19, Ziika và Ebola, các nghiên cứu về cấu trúc virus đã được chú trọng phát triển. Nhu cầu cấp thiết là phải mô tả đặc điểm sinh học của virus và phản ứng miễn dịch của vật chủ để xác định và phát triển phương pháp điều trị và vắc xin.

Công cụ nghiên cứu virus học cấu trúc
Một thách thức lớn đối với các nhà virus học là hiểu được cơ sở phân tử của vòng đời virus và sử dụng kiến thức này để đối phó với các loại virus mới. Sự hiểu biết hiện nay về vòng đời của virus xuất phát từ sinh học phân tử kết hợp với nghiên cứu cấu trúc. Các nhà khoa học sử dụng một số kỹ thuật sau để xác định cấu trúc protein.3 

       Cộng hưởng từ hạt nhân (NMR) cung cấp về động lực học và tương tác của protein, nhưng phương pháp này hạn chế việc xác định cấu trúc nguyên tử ở những phức hợp nhỏ có trọng lượng phân tử dưới 40–50 kDa.(3) NMR sử dụng nam châm tự nhiên—hạt nhân của các nguyên tử bên trong protein— để tương tác với một nam châm lớn bên trong máy NMR. Sau đó, các nhà nghiên cứu bắn mẫu protein bằng một loạt xung sóng vô tuyến trong tích tắc, buộc các hạt nhân cộng hưởng ở các tần số cụ thể. Sau vài lần cộng hưởng NMR, các nhà khoa học kết hợp các tần số cộng hưởng đo được để có được bức tranh hoàn chỉnh về protein.(3)      

             Tinh thể học tia X bắn một chùm tia X xuyên qua một tinh thể rắn nhỏ được tạo thành từ hàng nghìn tỷ phân tử protein giống hệt nhau. Tinh thể phân tán tia X lên máy dò điện tử, tương tự như cách hình ảnh được chụp trong một máy ảnh kỹ thuật số. Một máy tính đo cường độ của tia X tán xạ để ấn định vị trí cho từng nguyên tử trong phân tử kết tinh. Kết quả là một hình ảnh kỹ thuật số ba chiều (3D). Tinh thể học tia X phân tích được độ phân giải nguyên tử đối với các virus nhỏ hơn, nhưng việc hình dung các vi rút nhiều vỏ lớn hơn và phức hợp giữa vi rút và kháng thể hoặc thụ thể là một thách thức.(3)

         Trong Cryo-EM, các nhà nghiên cứu nhanh chóng tinh thể hóa tế bào, virus, phức hợp phân tử hoặc cấu trúc khác để bảo quản mẫu ở trạng thái tự nhiên. Kính hiển vi điện tử bắn một chùm tia điện tử vào mẫu, tạo ra hình chiếu hai chiều (2D) của mẫu trên đầu dò kỹ thuật số. Bằng cách tạo ra hàng trăm hình chiếu của mẫu từ nhiều góc độ khác nhau và lấy trung bình của các góc này, các nhà khoa học tạo ra mô hình 3D về cấu trúc của nó.(2) Các nhà khoa học sử dụng Cryo-EM tạo ra hình ảnh có độ phân giải cao hơn so với các kỹ thuật cấu trúc khác nhờ đầu dò điện tử hiện đại và quá trình xử lý  và phân tích hình ảnh kỹ thuật số. Số lượng hình ảnh protein được chụp bằng Cryo-EM được tải lên Ngân hàng Dữ liệu Protein đã bùng nổ trong những năm gần đây và kỹ thuật này đã mang lại cho các nhà phát triển giải thưởng Nobel Hóa học năm 2017.(2)

Tương lai cho Virus học cấu trúc

Các nghiên cứu nhiễu xạ tia X ban đầu đã thúc đẩy quan điểm tĩnh về virus như các thùng chứa protein chắc chắn hoặc các viên nang, bảo vệ các bộ gen dễ bị tổn thương. Với các công cụ sinh học cấu trúc tiên tiến như Cryo-EM, một quan điểm mới hơn hơn đã xuất hiện khi nhận ra rằng vỏ bọc không chỉ phải lắp ráp một cách thích hợp mà còn phải tháo rời, tương tác với các thụ thể trên bề mặt tế bào, được vận chuyển đến các ngăn tế bào thích hợp và trong một số trường hợp, tham gia vào hoạt động phiên mã.2,3

       Các nhà khoa học phải xem xét một số yếu tố quan trọng để áp dụng thông tin cấu trúc Virus vào thiết kế vắc xin cho các mầm bệnh mới. Thông tin này phải đến từ các mẫu tự nhiên ở độ phân giải đủ cao để làm sáng tỏ bề mặt miễn dịch của virus. Các nhà nghiên cứu có thể sử dụng Cryo-EM để xác định cấu trúc một cách nhanh chóng, ngay cả khi quá trình sinh hóa liên quan đến việc điều chế virus gặp khó khăn. Mặc dù các phương pháp này có thể không áp dụng chung cho mọi mầm bệnh mới nổi, nhưng Cryo-EM hiện là một công cụ thông thường để hỗ trợ thiết kế vắc xin nhanh chóng.

Các trích dẫn:
1 ) R. Arya et al., “Structural insights into SARSCoV-2 proteins,” J Mol Biol, 433:166725- 166734, 2021.
2 ) X. Bai et al., “How cryo-EM is revolutionizing structural biology,” Trends Biochem Sci,40:49-57, 2015.
3 ) Y. Miyazaki et al., “Structural biology for virus research,” Front Microbiol, 3:91-99, 2012.
4 ) R. Nasir et al., “Investigating the concept and origin of viruses,”  Trends Microbiol, 28:959- 967, 2020.