CRYO-EM: TỪ KHÁM PHÁ THUỐC KHÁNG VI-RÚT ĐẾN THIẾT KẾ VẮC-XIN

Tiến sĩ Jason McLellan
Phó giáo sư, khoa học sinh học phân tử
Robert A. Welch -Chủ tịch khoa Hóa học
 Đại học Texas ở Austin

           Trong bảy năm qua, Jason McLellan đã nghiên cứu về Virus Corona, vì vậy nhóm của ông tại Đại học Texas ở Austin đã đáp ứng nhanh chóng với đại dịch—Covid-19, tiến hành nghiên cứu đột phá về protein tăng đột biến của virus Corona bằng kính hiển vi điện tử lạnh (Cryo-EM). Họ đã thiết kế lại thành công protein tăng đột biến bề mặt SARS-CoV-2 để cho phép sản xuất vắc xin nhanh hơn và ổn định hơn trên toàn thế giới. Công trình của họ nhấn mạnh vai trò quan trọng của Cryo-EM trong nghiên cứu virus học.

Câu hỏi. Làm thế nào mà Tiến sĩ McLellan có hứng thú với Cryo-EM?

      Tôi được đào tạo về tinh thể học tia X khi theo học cao học tại Trường Y thuộc Đại học Johns Hopkins. Vào đầu những năm 2000, tinh thể học tia X là kỹ thuật duy nhất cung cấp thông tin có độ phân giải cao và Cryo-EM chỉ cung cấp độ phân giải khiêm tốn. Nếu bạn muốn nhìn thấy các cấu trúc bậc 2 của protein tại độ phân giải 2 Å, tinh thể học tia X là cách tốt nhất. Vào năm 2013, khi tôi bắt đầu xây dựng phòng thí nghiệm của mình tại Đại học Dartmouth, các đầu dò điện tử trực tiếp mới cùng với kính hiển vi điện tử đã ra đời và điều đó đã bắt đầu cuộc cách mạng về độ phân giải. Với các đầu dò tiên tiến và thuật toán mới, Cryo-EM có thể đạt được độ phân giải tương tự như tinh thể học tia X. Rõ ràng là để duy trì tính phù hợp trong sinh học cấu trúc và để có thể theo đuổi bất kỳ mục tiêu nào mà chúng tôi muốn để xác định cấu trúc, chúng tôi sẽ phải học Cryo-EM. Ngay lập tức, tôi đã tải xuống các bộ dữ liệu để xây dựng phòng thí nghiệm Cryo-EM .

Câu hỏi. Cryo-EM hỗ trợ nghiên cứu virus như thế nào?

      Sinh học cấu trúc có thể giúp chúng ta hiểu được protein ở cấp độ từng residue. Để hiểu được cơ chế sao chép của virus, điều quan trọng là phải phân tích enzyme hoặc các tương tác liên kết cụ thể của protein virus. Với Cryo-EM, chúng ta có thể biết axit amin nào quan trọng để làm trung gian liên kết hoặc nhận biết thụ thể bằng kháng thể đơn dòng, cho phép chúng ta dự đoán mức độ biến đổi của protein virus ảnh hưởng đến việc thoát khỏi kháng thể.

Câu hỏi: Một số thách thức trong việc thiết kế vắc xin dựa trên cấu trúc là gì?

        Phần khó nhất thường là chuẩn bị mẫu và thu được các protein hoạt động tốt. Cố gắng tinh sạch một loại virus bất hoạt hoặc protein tái tổ hợp là một nhiệm vụ khó khăn. Thu thập và xử lý dữ liệu không phải là phần khó nhất vì điều đó ngày càng trở nên dễ dàng hơn khi các thuật toán mới phát triển. Việc lấy cấu trúc và xác định những đột biến và thay thế nào cần thực hiện để phát triển kháng nguyên vắc xin tối ưu có thể là một bước giới hạn tốc độ đòi hỏi nhiều kỹ thuật protein và thử nghiệm các biến thể, bao gồm biểu hiện và tinh sạch, nhiệt độ nóng chảy và khả năng phản ứng của kháng thể. Cuối cùng, bạn phải đi làm mô hình động vật, việc này cũng mất nhiều thời gian. Lời khuyên của tôi dành cho các nhà nghiên cứu là nên nghiên cứu sẵn các quy trình đó . Sau đó, bạn có thể ứng phó tốt với mầm bệnh mới xuất hiện.

Câu hỏi: Cryo-EM sẽ đóng vai trò gì trong việc phát triển thuốc chống virus và thiết kế vắc-xin?

        Các nghiên cứu Cryo-EM của chúng tôi đã tiết lộ cách tập hợp các protein tăng đột biến của SARSCoV-2 và vị trí của các miền trong cấu trúc bậc 3. Bằng cách sử dụng các dữ liệu này, phòng thí nghiệm của tôi đã tạo ra các đột biến ổn định giúp tăng cường đáng kể sự biểu hiện của các đột biến beta virus Corona giống như các đột biến từ virus Corona MERS và virus Corona SARS đầu tiên.

        Tôi nghĩ chúng ta hoàn toàn nên chuẩn bị cho những tình huống tương tự trong tương lai. Chúng ta đã chứng kiến các đợt bùng phát virus Corona từ năm 2012 đến năm 2020. Chúng ta có khả năng phải đối mặt với khoảng thời gian từ 8 đến 10 năm đối với virus Corona và các đợt dịch hoặc đại dịch virus cúm mới. Tôi nghĩ rằng nhiều tiến bộ trong công nghệ Cryo-EM, chẳng hạn như phát triển phương pháp và thuật toán cải tiến cho cả tinh thể học tia X và Cryo-EM, sẽ cho phép cộng đồng khoa học đáp ứng nhanh chóng trong tương lai để giúp thiết kế vắc xin, kháng thể và phát triển các phân tử nhỏ. Khi sự phát triển của kỹ thuật chụp cắt lớp điện tử nhiệt độ ngày càng tăng, chúng ta có thể quan sát virus ở độ phân giải cao hơn khi chúng đang tập hợp bên trong tế bào, nảy chồi hoặc lây nhiễm tế bào và xem virus tương tác như thế nào.