'Trái tim' SARS-CoV-2 dưới hình ảnh giải phẫu 3 chiều

Mới đây, nhóm nhà nghiên cứu của Phòng thí nghiệm quốc gia Oak Ridge và Argonne (thuộc Bộ Năng lượng Mỹ) đã công bố kết quả hình ảnh “giải phẫu” protease - enzyme được xem là “trái tim” của SARS-CoV-2, cho phép virus sinh sản. Nghiên cứu này được đăng tải trên tạp chí Nature Communications.

Theo Eurekalert, nghiên cứu được thực hiện dưới sự hỗ trợ của phương pháp quét tia X ở nhiệt độ phòng. Đây là lần đầu tiên “trái tim” của virus nguy hiểm nhất hiện nay được đưa ra ánh sáng dưới dạng hình ảnh 3D, trong môi trường gần nhất với môi trường tế bào.

Dữ liệu X-quang chồng chéo của protease trong SARS-CoV-2 cho thấy sự khác biệt về cấu trúc giữa protein ở nhiệt độ phòng (màu cam) và cấu trúc đông lạnh (màu trắng). Ảnh: Phòng thí nghiệm quốc gia Oak Ridge và Argonne (thuộc Bộ Năng lượng Mỹ).

Kết quả này đánh dấu bước quan trọng đầu tiên trong mục tiêu cốt lõi của các nhà nghiên cứu. Đó là xây dựng mô hình 3 chiều toàn diện về protein enzyme của SARS-CoV-2. Mô hình này sẽ được sử dụng để thúc đẩy các mô phỏng siêu máy tính, từ đó tìm ra các chất ức chế nhằm ngăn chặn cơ chế sao chép của virus và chấm dứt được đại dịch Covid-19.

Đầu những năm 2000, trong đại dịch SARS, các nhà nghiên cứu đã phát hiện ra virus lây nhiễm tế bào thông qua hai protein. Một là thụ thể có tên gọi là enzyme chuyển đổi angiotensin 2 (ACE2), giúp virus liên kết với các tế bào. Hai là loại enzyme gọi là protease xuyên màng loại II (TMPRSS2), làm trung gian cho sự lây nhiễm của tế bào.

“Protease không thể thiếu trong vòng đời của virus. Protein này có hình dạng giống như trái tim. Và nó đích thị là trái tim của virus SARS-CoV-2 khi giúp chúng nhân lên, sinh sản và lây lan gây bệnh. Nếu ức chế được protease, virus sẽ không thể sản xuất các protein cần thiết cho quá trình sao chép. Đó chính là lý do protease được coi là thành phần quan trọng trong công cuộc sản xuất, điều chế thuốc chống Covid-19”, ông Jonathan Kovalevsky, đại diện nhóm nghiên cứu của Phòng thí nghiệm quốc gia Oak Ridge và Argonne, nói.

Các tinh thể protease SARS-CoV-2 được trồng trong Phòng thí nghiệm quốc gia Oak Ridge và Argonne. Ảnh: Phòng thí nghiệm quốc gia Oak Ridge và Argonne (thuộc Bộ Năng lượng Mỹ).

Cấu trúc của protease đã được biết đến trước đây dưới dạng các tinh thể đông lạnh. Theo kết quả của Phòng thí nghiệm quốc gia Oak Ridge và Argonne, đây là lần đầu tiên dựng 3D cấu trúc của enzyme này đo ở nhiệt độ phòng - gần nhất với nhiệt độ sinh lý nơi các tế bào hoạt động.

Các tinh thể protease SARS-CoV-2 được nuôi trồng trong phòng thí nghiệm. Để xây dựng một mô hình hoàn chỉnh về cấu trúc protein, đòi hỏi phải xác định từng yếu tố trong cấu trúc và cách chúng được sắp xếp.

Tia X là tia lý tưởng giúp phát hiện các nguyên tố nặng như carbon, nitơ và oxy. Do cường độ của chùm tia X tại hầu hết synchrotron nên các mẫu sinh học thường phải đông lạnh đến khoảng -174 độ C, để có thể chịu được bức xạ đủ lâu và thu thập dữ liệu.

Enzyme protease có hình dạng giống như trái tim. Ảnh: Phòng thí nghiệm quốc gia Oak Ridge và Argonne (thuộc Bộ Năng lượng Mỹ).

Nhằm kéo dài tuổi thọ của các mẫu protein kết tinh rồi đo chúng ở nhiệt độ phòng, các nhà nghiên cứu từ Phòng thí nghiệm quốc gia Oak Ridge và Argonne đã khuyếch đại các tinh thể đủ để đáp ứng nghiên cứu cryo synchrotron. Sau đó, họ sử dụng máy X-quang trong nhà có chùm tia cường độ thấp.

Enzyme protease bao gồm các chuỗi axit amin với mô hình lặp lại của các nguyên tử nitơ-carbon-carbon tạo thành xương sống của protein. Enzyme được gấp lại thành hình dạng 3 chiều cụ thể, tạo ra các túi đặc biệt - nơi một phân tử thuốc sẽ gắn vào.

Nghiên cứu cũng chỉ ra nếu tiếp tục phát triển thuốc dựa trên việc sử dụng enzyme protease đông lạnh có thể dẫn đến các kết luận chưa chính xác về cấu trúc của nó.

Bước tiếp theo, các nhà nghiên cứu sẽ hoàn thành mô hình 3D của protease chính trong virus SARS-CoV-2. Công việc này sử dụng phương pháp tán xạ neutron tại lò phản ứng đồng vị.

Thiên Nhan