Cấu trúc protein S của SARS-CoV-2 được xác định như thế nào?

Trong phần tiếp theo của loạt bài viết về COVID-19, chúng ta sẽ xem xét làm cách nào để cấu trúc của protein S được xác định và nó đã giúp cho nỗ lực của chúng ta chống lại virus như thế nào? Bạn hãy giành ít thời gian để tham khảo nhé!

Đôi nét

Các thành viên của họ coronavirus có những vết sưng sắc nhọn nhô ra khỏi bề mặt của lớp bao bên ngoài của chúng. Những vết sưng đó được gọi là spike protein hay protein S. Chúng thực sự là glycoprotein. Điều đó có nghĩa là chúng chứa một loại carbohydrate (chẳng hạn như một phân tử đường). Dưới kính hiển vi, những gai nhọn đó có thể xuất hiện giống như rìa hoặc vương miện (và corona trong tiếng Latinh có nghĩa là vương miện).

Các protein S đóng một vai trò quan trọng trong cách những coronavirus lây nhiễm sang vật chủ của chúng.

Cấu trúc của coronavirus. Ảnh: CDC / Alissa Eckert & Dan Higgins

Ví dụ về coronavirus bao gồm những loại gây ra Hội chứng hô hấp cấp tính nặng (SARS) và hội chứng hô hấp Trung Đông (MERS). Các protein S của chúng hoạt động giống như các chốt khóa thay đổi hình dạng. Chúng có thể thay đổi hình dạng để tương tác với một loại protein trên bề mặt tế bào người. Những protein S này sẽ gắn virus vào tế bào. Điều này cho phép chúng xâm nhập vào các tế bào đó.

Vào ngày 19 tháng 2 năm 2020, các nhà nghiên cứu đã mô tả cấu trúc 3-D của protein S trên coronavirus mới gây ra đại dịch toàn cầu năm 2020. Điều này khẳng định rằng protein S của virus mới cũng là một chất biến đổi hình dạng. Hơn nữa, nó bám vào mục tiêu trên các tế bào người chặt hơn từ 10 đến 20 lần so với protein S của SARS đối với cùng mục tiêu. Các nhà nghiên cứu hiện cho biết việc nắm chặt như vậy có thể giúp virus COVID-19 lây lan từ người sang người dễ dàng hơn.

Cấu trúc protein S

Virus SARS-CoV-2 có 26 protein. Đây là một con số thực sự nhỏ bé; để đặt nó vào bối cảnh, người ta ước tính rằng cơ thể con người có thể chứa tới 400.000 protein. Từ số lượng protein hạn chế này, một loại đã được chú ý nhiều hơn phần còn lại trong năm qua đó chính là protein S.

Protein S của virus là chìa khóa cho phép nó xâm nhập vào tế bào của chúng ta. Nó liên kết với một loại enzym, ACE2, được tìm thấy trong màng tế bào ở các bộ phận của cơ thể chúng ta, bao gồm hầu hết các cơ quan.

Tế bào vật chủ và các protein của virus SARS-CoV-2 Nguồn: Sigmaaldrich.com

Protein S có hai vùng, gọi tắt là S1 và S2. S1 là phần trên cùng của protein, phần liên kết với enzym ACE2. Sự liên kết này gây ra sự thay đổi hình dạng của protein S. S2 là phần dưới của protein sau đó hợp nhất với màng tế bào của con người. Đây là những gì cho phép virus xâm nhập vào tế bào của chúng ta.

Cái mà chúng ta gọi là protein S thực sự là một ‘trimer’ được xây dựng từ ba loại protein riêng lẻ (xem thêm cấu trúc trimeric protein S tại đây). Có khoảng 26 trong số các bộ ba protein S này trên mỗi hạt virus. Mỗi trimer được gắn với các phân tử đường được gọi là glycan, hoạt động như một loại ngụy trang phân tử, che giấu protein S khỏi hệ thống miễn dịch của chúng ta.

Xác định cấu trúc

Các nhà khoa học biết tất cả những chi tiết này về protein S phần lớn là do sử dụng kính hiển vi điện tử nghiệm lạnh – cryo-electron microscopy (cryo-EM). Kỹ thuật này đã giành được giải Nobel Hóa học năm 2017, và liên quan đến việc bắn các electron vào một mục tiêu bị đóng băng để xác định cấu trúc của nó.

Kính hiển vi điện tử nghiệm lạnh. Ảnh: Sciencedirect

Để làm được điều này, các mẫu protein được đông lạnh nhanh chóng ở nhiệt độ rất thấp. Sự đông lạnh nhanh chóng này ngăn cản sự hình thành các tinh thể băng, cho phép các protein được đông lạnh và quan sát được hình dạng và cấu trúc thông thường của chúng.

Sau đó, một kính hiển vi điện tử bắn liên tục một chùm electron vào mẫu, tạo ra một số hình ảnh hai chiều từ các góc khác nhau. Bằng cách kết hợp những hình ảnh hai chiều này, chúng ta có thể xây dựng một bức tranh ba chiều về protein.

Cuộc chiến chống lại virus

Biết được cấu trúc của protein S đặc biệt hữu ích trong cuộc chiến chống lại virus. Thứ nhất, nó đã thúc đẩy sự phát triển của vắc-xin, nhiều vắc-xin dựa trên protein S. Đặc biệt, vắc-xin Novavax có thể sớm được chấp thuận sử dụng dựa trên các hạt nano được tạo thành từ các protein S ổn định.

Vắc-xin Novavax. Ảnh: AFP

Thứ hai, biết được cấu trúc của protein S đã giúp chúng ta hiểu cách nó hoạt động trong cơ thể của chúng ta: cả cách nó giúp virus xâm nhập vào tế bào của chúng ta và các loại thuốc tiềm năng để chống lại virus có thể ảnh hưởng đến nó như thế nào. Nó cũng giúp chúng ta hiểu cách các kháng thể của chúng ta cố gắng vô hiệu hóa virus, vì nó cũng là protein S mà chúng nhắm mục tiêu.

Cuối cùng, nó cho phép chúng ta hiểu được cách các đột biến gen có thể ảnh hưởng đến virus. Một số đột biến này có thể tạo ra những thay đổi đối với cấu trúc protein S, vì vậy việc có thể so sánh cấu trúc giữa các biến thể khác nhau của virus giúp chúng ta hiểu được những thay đổi này có thể ảnh hưởng như thế nào đến nó.

Bài viết đến đây là hết rồi. Hi vọng sẽ giúp ích cho các bạn phần nào trong tương lai. Lần sau nếu có ai hỏi về chủ đề này thì hãy nhớ về hóa học đằng sau chúng nhé!

Tham khảo Sciencenewsforstudents, News-medical, Sigmaaldrich, ForbesCompound Interest.