COVID-19 salgını dünyayı etkisi altına almadan önce, ölümcül bir virüs zaten Asya, Orta Doğu ve Avrupa’nın bazı bölgelerine yayılıyordu. Nairovirüs olarak bilinen mikrobiyal tehdit, ateş, kas ağrıları, mide bulantısı ve cilt altında kanama ile kendini gösteren bir hastalık olan Kırım-Kongo kanamalı ateşine neden olur. Virüs, bulaştığı insanların yüzde 40 kadarını öldürür.
Salgınlar sporadiktir ve vaka sayıları bölgeye göre değişir, ancak veriler bunların istikrarlı bir şekilde arttığını göstermektedir. Afganistan’da 2007’de sadece dört doğrulanmış vaka vardı; 2018 yılına kadar ülke 483 vaka bildirdi. Ve 2018’de Dünya Sağlık Örgütü, Kırım-Kongo kanamalı ateşini araştırma ve geliştirme için en önemli önceliklerinden biri olarak tanımlamış olsa da, hala onunla savaşacak bir tedavi yöntemi yok.
Şimdi, virüsün mikroskobik yapısını inceleyen araştırmacılar konsorsiyumu, terapötiklerin ve muhtemelen bir aşının ufukta olabileceğine dair umut veriyor.
Enfeksiyöz bir ajanın atomik ölçekte neye benzediğini anlama bilimine yapısal viroloji denir. Bu, son yıllarda katlanarak büyüyen ve engellemeye çalıştıkları patojenin yapısına göre tasarlanan aşılarda artışa yol açan bir alandır. Yapısal viroloji, COVID-19’a karşı savaşması onaylanan mRNA aşılarını sağladı. Ve hatta onlarca yıldır bilim insanlarının gözünden kaçan ilk başarılı HIV aşısına bile yol açabilir.
Austin’deki Texas Üniversitesi’nden Jason McLellan, “Yapısal viroloji, bilim adamlarının bir patojene karşı en güçlü antikor tepkisini nasıl ortaya çıkaracaklarını ve en iyi aşıları nasıl geliştireceklerini anlamalarına yardımcı olan önemli bir araçtır” diyor. Laboratuvarı, insan hücrelerini enfekte etmek için kritik olan ve iki mRNA aşısının temeli olan SARS-CoV-2 başak proteininin yapısını çözdü.
“Her aşıya yol açmayacak” diye ekliyor. “Fakat çoğunun, hatta çoğunun geliştirilmesinde kullanılacağını düşünüyor muyum? Evet kesinlikle.”
Yapısal viroloji, açıkladı
Yapısal viroloji, bir virüsün hücrelere nasıl bulaştığının ve istila ettiğinin temel mekanizmalarını anlamaya çalışır. Purdue Üniversitesi’nde yapısal bir virolog olan Madhumati Sevvana , bunu yapmak için “virüsün nasıl inşa edildiğini bilmemiz gerekiyor” diyor.
Sevvana, yapısal virolojiyi araba mekaniğine benzetiyor: Bir araç üzerinde çalışmak için makinenin her bir parçasını ve bunların birbirleriyle nasıl etkileşim kurduklarını anlamanız gerektiğini söylüyor. “Virüsün ve bileşenlerinin yapısını çözerek anlamaya çalıştığımız şey de bu” diyor. Araştırmacılar daha sonra bir virüsün proteinlerinin insan hücrelerine nasıl girip çoğalarak enfeksiyona neden olduğunu bir araya getirebilirler.
Yapısal viroloji kullanılarak geliştirilen aşılar (yapı bazlı aşılar olarak adlandırılır), vücudun en güçlü antikor tepkisini üretmesine yardımcı olmak için virüsün en bulaşıcı bölümünü kullanır . Yapısal viroloji, MERS, SARS ve SARS-CoV-2 dahil olmak üzere koronavirüslerdeki spike proteinlerinin insan hücrelerine girmek için anahtar olduğunu ortaya çıkarmaya yardımcı oldu. Araştırmacılar, yapısını çözerek proteini, ortaya çıkan mRNA aşılarını oldukça etkili hale getirecek şekilde değiştirebilirler.
Araştırmacılar, virüslerin ve proteinlerin yakın çekimlerini yapmak için çeşitli araçlar kullanırlar, ancak ikisi özellikle önemlidir: x-ışını kristalografisi ve kriyo-elektron mikroskobu veya kriyo-EM. Bu teknolojilerdeki son gelişmeler, yapı tabanlı aşı tasarımında o kadar büyük bir patlamaya olanak sağladı ki, Sevvana, “Sanırım bu teknoloji kullanılarak çok daha fazla aşının geliştirildiğini göreceğiz” diyor.
X-ışını kristalografisi, önce proteinleri kristalleştirerek, proteinleri akide şekeri gibi kristalleşene kadar bir çözeltiye daldırarak çalışır. Daha sonra bilim adamları kristalleri bir x-ışını demetinin yoluna yerleştirir. McLellan, ışındaki ışık dalgalarının kristale çarptığında bükülüp proteinin atomik düzenine bağlı olarak belirli bir modele dağılarak beyaz bir arka plan üzerinde siyah noktalar topluluğu gibi görünen bir şey ortaya çıkardığını söylüyor. Modern laboratuvarlarda bilgisayarlar bu noktaları kristalin yapısı için bir kılavuz olarak kullanır ve üç boyutlu bir görüntü oluşturur.
Ancak tüm virüsler ve proteinler iyi kristalleşmez ve işte burada kriyo-EM devreye girer. Bu teknik, bilim adamlarının proteinleri ince bir buz tabakasında dondurup ardından iki boyutlu bir görüntü oluşturan bir elektron demeti ile üzerlerine vurarak görüntü yakalamalarına olanak tanır. . Bu projeksiyonlardan yüzbinlercesi çeşitli açılardan alınır ve yazılım bunları üç boyutlu bir model oluşturmak için birleştirir.
Scripps Araştırma Enstitüsü’nde yapısal biyolog olan Andrew Ward , kriyo-EM’nin yıllarca atomik düzeyde çözünürlük üretemediğini söylüyor . Ancak 2010’da piyasaya sürülen yeni nesil kameralar, daha iyi çözünürlük ve hızla birden fazla fotoğraf çekebilme olanağı sağladığı için bu alanda devrim yarattı; tıpkı bugünün iPhone kameraları gibi.
O zamandan beri x-ışını kristalografisi ve kriyo-EM, HIV, Zika, Ebola, grip ve şimdi de Kırım-Kongo kanamalı ateşine neden olan nairovirüs gibi virüslerdeki önemli proteinlerin yapılarını çözmek için kullanıldı.
Dönüşen protein vakası
Şekil değiştiren başak proteini aracılığıyla insanları enfekte eden SARS-CoV-2 gibi, Kırım-Kongo kanamalı ateşi de insan hücrelerine bulaşmadan önce yapısını değiştiren bir moleküle sahiptir. Bir yüzey glikoproteini olarak adlandırılan bu molekülün yapısı, bir enfeksiyon başlatmak için çubuk benzeri bir konfigürasyondan üçgen bir şekle dönüşür.
Bilim adamları, başarılı bir aşının proteinin başlangıçtaki çubuk benzeri şeklini hedefleyerek virüsü en bulaşıcı durumuna dönüşmeden önce durduracağına inanıyor. Ancak bir şeyi gerekli hassasiyet düzeyinde hedeflemek için önce onun atomik ölçekte tam olarak neye benzediğini bilmeniz gerekir.
McLellan’ın laboratuvarı , dünya çapında yedi ajanstan oluşan araştırma konsorsiyumu Prometheus’un bir parçasıdır . Ekibi, Kırım-Kongo kanamalı ateşinden iyileşen hastaların antikorlarından proteinleri izole ederek işe başladı. Daha sonra , proteinlerin ilk 3D atomik ölçekli haritasını yeniden oluşturarak, proteinlerin enfeksiyon öncesi şeklini belirlemek için x-ışını kristalografisini kullandılar.
Aynı zamanda, Fransa, Paris’teki Pasteur Enstitüsündeki Félix Rey laboratuvarından bir ekip , proteinin bulaşıcı şeklini belirleyerek, hedef proteinin öncesi ve sonrası eksiksiz bir resmini oluşturdu.
McLellan, “Bir yapıyı ilk kez gördüğünüzde, oldukça inanılmaz bir duygu,” diyor. “Dünya tarihinde bu proteinin gerçekte neye benzediğini gören ilk kişisiniz.”
Proteinin “öncesi ve sonrası” şekillerini belirlemek, araştırmacıların antikorların virüse ne zaman ve nerede bağlandığını bulmasına ve tam olarak nasıl bu kadar etkili olduklarını keşfetmesine olanak sağladı: Bir antikor, proteinin dönüşmesini durdururken, diğeri onun bir insana nüfuz etmesini engeller. hücre. McLellan, bu daha kapsamlı anlayışın, araştırmacıların daha iyi terapötikler ve aşılar geliştirmesine yardımcı olacağını söylüyor.
Yapı bazlı aşıların geleceği
Yapısal viroloji ve yapı tabanlı aşı tasarımı, en zorlu virüslerden bazıları için umut verse de, tüm patojenler için uygun değildir. Sevvana, yapısal virolojinin vücudun antikor tepkisine odaklandığını, ancak bazı virüslerin ve parazitlerin bağışıklık sistemindeki bir diğer önemli oyuncu olan T hücrelerinden daha fazla etkilendiğini söylüyor.
McLellan, diğer virüsler için hayatta kalan insanlarda güçlü antikorlar bulmanın zor olabileceğini, çünkü virüslerin ani ve akut olduğunu ve hayatta kalanlardan kan alınacak yeterli sayıda olmayabilir diyor.
Bu, McLellan’ın prototip patojen hazırlığını veya gelecekteki patojenler, hatta keşfedilmemiş olanlar için hazırlanmasını savunmasının bir nedenidir.
“Yeni bir patojen patlak verdiğinde, en azından başlangıçta, yapısal virolojiyi kullanarak bir terapötik oluşturmak için gereken tüm bu adımların üzerinden geçmek için gerçekten zaman yoktur.” Bunun yerine, araştırmacıların bir virüs ailesini hedef alarak başlayabileceklerini söylüyor.
“Belirli bir hantavirüsün gelecekte bir salgına neden olabileceğini bilemeyebiliriz, ancak hantavirüslerin birçoğunun veya çoğunun benzer olacağını varsayabiliriz” diyor. “Ve böylece, bir veya iki prototip üye için yapı tabanlı aşı tasarımı yaparsak, yenisi ortaya çıktığında, tüm bu bilgiyi tercüme edebileceğiz.”
