ไวรัสโคโรน่าสายพันธุ์ใหม่พัฒนาไปสู่สายพันธุ์ที่ติดเชื้อได้อย่างไร? นักวิทยาศาสตร์เผยปัจจัย

การศึกษาของ IIT Kanpur ช่วยให้เข้าใจว่าส่วนประกอบของเซลล์และสารเคมีชนิดใดที่ช่วยให้ไวรัสกลายเป็นสายพันธุ์ที่ติดเชื้อได้สูง

ทีม IIT ได้ตรวจสอบว่าไวรัสทั้ง 5 สายพันธุ์ – พันธุ์หวู่ฮั่นดั้งเดิม, D614G, อัลฟ่า, เบต้า และเดลต้า – มีปฏิสัมพันธ์กับส่วนประกอบของเซลล์อย่างไร | ภาพตัวแทน: iStock

เรารู้ว่าไวรัสโคโรนาสายพันธุ์ใหม่ SARS-CoV-2 ใช้โปรตีน Spike ที่มีอยู่บนเปลือกนอกเพื่อเข้าสู่เซลล์ร่างกายของเรา การศึกษาพบว่าโปรตีน Spike ประกอบด้วยสองหน่วยย่อยคือ S1 และ S2 อย่างแรก S1 รู้จักตัวรับ ACE2 (เอ็นไซม์แปลง angiotensin 2) และ NRP1 (neuropilin-1) บนเยื่อหุ้มเซลล์ของเราและจับกับพวกมัน (เหมือนกุญแจในล็อค)

หลังจากล็อคแล้ว S2 ซึ่งเป็นมัดของโปรตีนเฮลิคอลหกตัวก็เข้ามามีบทบาท โปรตีนใน S2 จัดเรียงโครงสร้างใหม่ ยืดและยืดออกเพื่อให้บรรลุเป้าหมาย – เยื่อหุ้มเซลล์ของร่างกายของเรา เมื่อพวกเขาไปถึงขอบเขต ส่วนของ S2 ที่เรียกว่าฟิวชันเปปไทด์ (ส่วนโปรตีนอื่น) จะถูกปล่อยออกมา ซึ่งทำหน้าที่เป็นจุดยึดสำหรับ S2 ไวรัสและเยื่อหุ้มเซลล์ของโฮสต์จะหลอมรวม เมื่อเกิดการหลอมรวมนี้ วิถีทางจะถูกสร้างขึ้น ซึ่งสารพันธุกรรมของไวรัส RNA (กรดไรโบนิวคลีอิก) เข้าสู่เซลล์ จี้กลไกของเซลล์เพื่อทำซ้ำและทำให้เกิดการติดเชื้อ

ยังอ่าน: กรณีแรกของอินเดียของ coronavirus ตัวแปร XE รายงานในมุมไบ

ในทางกลับกัน SARS-CoV-2 กำลังกลายพันธุ์เพื่อพัฒนาเป็นสายพันธุ์ที่โดดเด่น นักวิทยาศาสตร์ได้สังเกตว่ามีการกลายพันธุ์สูงสุดในโปรตีน Spike ซึ่งช่วยปรับปรุงความสามารถในการเกาะติดและหลอมรวมกับเซลล์เจ้าบ้านได้ดีขึ้น ความสามารถในการหลอมรวมที่เพิ่มขึ้นดังกล่าวส่งผลให้ D614G เป็นสายพันธุ์ที่โดดเด่นในปี 2020 โดยมีอัตราการส่งข้อมูลสูง นอกจากนี้ ไวรัสยังพัฒนาต่อไปในสายพันธุ์อัลฟ่า (สหราชอาณาจักร) เบต้า (แอฟริกาใต้) และเดลต้า (อินเดีย) ซึ่งแต่ละสายพันธุ์ทำให้เกิดการระบาดใหญ่ครั้งใหญ่ ซึ่งท้าทายประสิทธิภาพของวัคซีน

โฆษณา

ช่องว่างความรู้

แม้ว่าการศึกษาได้ให้ข้อมูลเชิงลึกเกี่ยวกับโครงสร้างของโปรตีน Spike และรายละเอียดเกี่ยวกับการยึดเกาะกับผนังเซลล์เจ้าบ้าน แต่เรายังไม่รู้หลายสิ่งหลายอย่างเกี่ยวกับกระบวนการหลอมรวม ตัวอย่างเช่น เพียงแค่ตัวรับ (ACE2 และ NRP1) ในเซลล์ของเราเพียงพอที่จะอำนวยความสะดวกในการหลอมรวมของ S2 กับผนังเซลล์หรือไม่ ไวรัสใช้ประโยชน์จากกระบวนการอื่นๆ ของเซลล์หรือโครงสร้างย่อยของเซลล์ และใช้ประโยชน์จากกระบวนการเหล่านี้เพื่อส่งเสริมการหลอมรวมของเยื่อหุ้มเซลล์หรือไม่? ไวรัสกำลังค้นหารายการอยู่ที่ไหน ไวรัสใช้สารเคมีในเซลล์ของเราให้เกิดประโยชน์อย่างไร? และไวรัสปรับเปลี่ยนความไวต่อสารเคมีในเซลล์เหล่านี้อย่างไรเพื่อช่วยให้มันกลายเป็นตัวแปรหลักที่หลอมรวมกับเซลล์ได้ดีขึ้น?

นี่เป็นช่องว่างความรู้บางส่วนในการทำความเข้าใจสายพันธุ์ไวรัสที่กำลังพัฒนา จากมุมมองการศึกษาทางวิทยาศาสตร์ การสร้างกระบวนการลำดับฟิวชั่นเซลล์สไปค์ขึ้นใหม่ในห้องปฏิบัติการจะช่วยในการศึกษาทางวิทยาศาสตร์ได้อย่างมาก ข้อมูลเชิงลึกจะช่วยออกแบบยาและวัคซีนได้ดีขึ้น

นักวิจัยจาก Department of Biological Sciences and Bioengineering, Indian Institute of Technology Kanpur (IIT Kanpur) เชื่อมช่องว่างความรู้นี้ด้วยการจัดทำ ‘การสาธิตสด’ ของกระบวนการฟิวชันเซลล์ Spike-cell ในห้องปฏิบัติการ การศึกษาของพวกเขาช่วยให้เราเข้าใจและเห็นภาพว่าหน่วยย่อย S2 มีปฏิสัมพันธ์กับเซลล์เจ้าบ้านอย่างไรและอยู่ระหว่างการเปลี่ยนแปลงสำหรับการหลอมรวม นอกจากนี้ การทดลองของพวกเขายังเผยให้เห็นว่าส่วนประกอบของเซลล์และสารเคมีชนิดใดที่ช่วยให้ไวรัสกลายเป็นสายพันธุ์ที่มีการติดเชื้อสูง

กำลังเตรียมการสาธิตสด

เซลล์เป็นเครื่องจักรที่ซับซ้อนซึ่งประกอบด้วยส่วนเล็กๆ หลายส่วนที่เรียกว่าออร์แกเนลล์ที่อยู่ภายในและบนผิวเซลล์ ออร์แกเนลล์แต่ละตัวมีหน้าที่เฉพาะในการดำเนินการ และโดยรวมแล้ว การทำงานของเซลล์ ตัวอย่างเช่น ตัวรับคือผู้รักษาประตูและช่วยผูกมัดกับยาหรือฮอร์โมน ไมโตคอนเดรียเป็นธนาคารพลังงานของเซลล์ ไรโบโซมผลิตโปรตีน และอื่นๆ เซลล์ยังมีอนุภาคที่มีประจุหรือไอออนเคมีจำนวนมาก ซึ่งทำหน้าที่เป็นตัวส่งสัญญาณระหว่างออร์แกเนลล์ กระตุ้นปฏิกิริยาของเอนไซม์ และส่งข้อมูลไปยังเซลล์อื่นๆ

อ่านเพิ่มเติม: NeoCov ไวรัสโคโรน่าสายพันธุ์ใหม่ ทำให้มีผู้เสียชีวิตเพิ่มขึ้น

ทีม IIT ได้ตรวจสอบว่าไวรัสทั้ง 5 สายพันธุ์ – พันธุ์หวู่ฮั่นดั้งเดิม, D614G, อัลฟ่า, เบต้า และเดลต้า – มีปฏิสัมพันธ์กับส่วนประกอบของเซลล์อย่างไร พวกเขาเลือกที่จะทดลองกับเซลล์สังเคราะห์ที่เรียกว่าไลโปโซม เพื่อเลียนแบบเซลล์จริง ไลโปโซมเป็นถุงที่มีชั้นไขมันซึ่งสามารถเคลือบโปรตีนตัวรับที่ต้องการ ให้อิสระในการเพิ่มองค์ประกอบแต่ละอย่างตามลำดับและตามความจำเป็นสำหรับการสังเกต พวกเขาสังเกตการตอบสนองของกระบวนการฟิวชันโดยใช้เทคนิคทางสเปกโตรสโกปีขั้นสูง เช่น การแยกสารเรืองแสง แอนไอโซโทรปีเรืองแสง และการวัด FRET

ทีมงานเคลือบ liposomes ด้วยตัวรับ ACE2 และ NRP1 และสังเกตว่าสายพันธุ์ไวรัสมีปฏิสัมพันธ์กับพวกมันอย่างไร พวกเขาสังเกตเห็นว่าการเพิ่มเพียงตัวรับสองตัวนี้ไม่เพียงพอสำหรับยูนิตย่อย S2 Spike ที่จะหลอมรวมกับเยื่อหุ้มเซลล์ของโฮสต์ จากนั้นพวกเขาก็ปรับเปลี่ยนสื่อโดยรอบระหว่างไวรัสกับถุงน้ำโดยเปลี่ยนค่า pH ของสารละลาย ค่า pH เป็นการวัดเชิงปริมาณว่าสารละลายมีสภาพเป็นกรด ด่าง (พื้นฐาน) หรือเป็นกลางในทางเคมีอย่างไร พวกเขาสังเกตเห็นว่า pH ต่ำประมาณ 4.6 (ตัวกลางที่เป็นกรด) ช่วยปรับปรุงการทำงานของ Spike

จากนั้นนักวิจัยได้แนะนำไอออนของโลหะของเหล็ก แมกนีเซียม สังกะสี และแคลเซียมในตัวกลางโดยรอบ และพิจารณาว่าไอออนของโลหะเหล่านี้อำนวยความสะดวกในการหลอมรวมหรือไม่

พวกเขาพบว่าโปรตีน Spike จะทำงานเมื่อมีแคลเซียมไอออนเท่านั้น และเมื่อระดับไอออนเพิ่มขึ้น Spike สามารถหลอมรวมกับเมมเบรนของโฮสต์ได้ดีขึ้น “แคลเซียมไอออนกระตุ้นการปลดปล่อยส่วนฟิวชั่นเปปไทด์ของ S2 ซึ่งช่วยปรับโครงสร้างโปรตีนและค้นหาเมมเบรนเป้าหมาย เป็นผลให้ S2 เปลี่ยนโครงสร้างอย่างรวดเร็วและหลอมรวมกับเมมเบรนของโฮสต์” ดร. Dibyendu Das ผู้เขียนนำการศึกษากล่าว นอกจากนี้ยังมีการตอบสนองสูงสุดต่อระดับความเข้มข้นของไอออนเฉพาะ (500µM – micro Molar ซึ่งเป็นหน่วยที่ให้การวัดจำนวนโมลของสารในปริมาตรของหน่วย)

อย่างไรก็ตาม น่าประหลาดใจที่ความสามารถของ S2 ในการหลอมรวมกับเซลล์ลดลงอย่างรวดเร็วเมื่อระดับแคลเซียมไอออนเพิ่มขึ้นเกินกว่านั้น

Dr Das อธิบายว่า “นี่เป็นเพราะโปรตีน S2 ต้องใช้เวลาในการค้นหาเมมเบรนเป้าหมายแล้วจึงปล่อยเปปไทด์หลอมรวม เมื่อแคลเซียมไอออนเพิ่มขึ้นเกินระดับที่เหมาะสม พวกมันจะกระตุ้นปฏิกิริยาที่รวดเร็ว และปล่อยโมเลกุลฟิวชันออกมาเร็วขึ้น” ดังนั้น S2 จึงไม่สามารถเข้าถึงเป้าหมายได้ และด้วยเหตุนี้ เปปไทด์ที่ยึดเหนี่ยวจึงหลุดออก S2 จะยุบตัวกลับ และยับยั้งการหลอมรวม

ข้อดี ไวรัส

นักวิจัยสรุปว่าโปรตีน Spike ได้กลายพันธุ์เพื่อให้เหมาะกับสภาพแวดล้อมที่เป็นกรดและมีความไวสูงต่อความเข้มข้นของแคลเซียมไอออนในเซลล์ ผลรวมดังกล่าวช่วยเพิ่มความสามารถของโปรตีน Spike ในการหลอมรวมกับเซลล์ ทำให้ไวรัสสามารถแพร่เชื้อได้สูง นอกจากนี้ พวกเขาพบว่าสายพันธุ์เดลต้ามีความสามารถในการหลอมรวมสูงสุด 90 เปอร์เซ็นต์ภายใต้สภาวะเหล่านี้

เมื่อถูกถามว่าข้อสังเกตเหล่านี้เกี่ยวข้องกับสภาพแวดล้อมของเซลล์จริงอย่างไร Dr Das กล่าวว่า “เซลล์ในร่างกายของเรามีออร์แกเนลล์ (ส่วนประกอบ) ที่เรียกว่าไลโซโซมอยู่บนเยื่อหุ้มเซลล์ พวกเขาทำความสะอาดเซลล์เสีย ไลโซโซมมีตัวกลางที่เป็นกรดและระดับแคลเซียมไอออนที่แน่นอน (500µM) สำหรับการหลอมรวม ดังนั้นพวกเขาจึงเสนอจุดเริ่มต้นที่ดีสำหรับไวรัส”

อ่านเพิ่มเติม: คลื่น Covid ที่ 4 ในอินเดียคาดการณ์ประมาณวันที่ 22 มิถุนายน: นักวิจัย IIT-K

นักวิจัยได้ทำการทดลองอีกครั้งในเซลล์จริง พวกเขาใช้โมเลกุลพิเศษที่กำหนดเป้าหมายและขัดขวางความเข้มข้นของแคลเซียมไอออนในไลโซโซม พวกเขาสังเกตเห็นว่าสิ่งนี้ยับยั้งการหลอมรวมของ Spike ทันทีและด้วยเหตุนี้ไวรัสเข้าสู่เซลล์

Dr Das กล่าวว่าผลการวิจัยเสนอขอบเขตสำหรับรูปแบบที่มีประสิทธิภาพสำหรับการออกแบบยาหรือวัคซีน “ถ้าเราสามารถกำหนดเป้าหมายไลโซโซมในเซลล์ของร่างกายและหาวิธีจัดการกับช่องแคลเซียมไอออนในไลโซโซมได้ เราก็สามารถยับยั้งการเข้าสู่เซลล์ของไวรัสได้”

อ่านเพิ่มเติม: คนไม่ได้รับวัคซีนเพิ่มความเสี่ยง COVID-19 สำหรับผู้ที่รับวัคซีน: การศึกษา

(Visited 1 times, 1 visits today)

Be the first to comment

Leave a comment

Your email address will not be published.


*