Chụp được ảnh virus Covid-19 ở độ phân giải nguyên tử, các nhà khoa học khám phá ra bản chất lây nhiễm hóa học của nó

Virus SARS-CoV-2 gây ra Covid-19 chỉ là một hạt hình cầu có kích thước 100 nanomet. Để dễ hình dung, nó chỉ bằng 1/900 đường kính của một sợi tóc người. Sử dụng kính hiển vi điện tử, một nhóm các nhà khoa học tại Phòng thí nghiệm Rocky Mountains vào tháng trước đã phóng đại virus này lên 300.000 lần, tiết lộ những hình ảnh chi tiết đầu tiên về cấu trúc của SARS-CoV-2.

Có thể bạn quan tâm

Những hình ảnh này xác nhận rằng SARS-CoV-2 là một loại vi-rút corona có cấu trúc bốn phần: lõi (N), vỏ (E), màng (M) và gai (S). Lõi tạo thành lõi di truyền. Sau đó, lõi này được bao bọc trong các protein tạo nên vỏ và màng của vi-rút.

Bạn đang xem: Chụp được ảnh virus Covid-19 ở độ phân giải nguyên tử, các nhà khoa học khám phá ra bản chất lây nhiễm hóa học của nó

Các protein đột biến ra khỏi màng, tạo thành các gai dính xung quanh bề mặt của SARS-CoV-2, tạo cho nó hình dạng giống như vương miện và vầng hào quang dưới kính hiển vi điện tử.

Chính đặc điểm này đã khiến chúng được đặt tên là coronavirus, với “corona” có nghĩa là “vương miện” hoặc “quầng hào quang”. Và chính những protein gai này đóng vai trò quan trọng trong quá trình SARS-CoV-2 lây nhiễm vào tế bào vật chủ.

Nghiên cứu cho thấy khi protein gai của virus tìm thấy thụ thể ACE2 (enzyme chuyển đổi angiotensin 2) trên bề mặt tế bào phổi của người, nó có thể xâm nhập vào bên trong và bắt đầu kiểm soát tế bào để sinh sôi và gây bệnh.

Việc hiểu được cơ chế lây nhiễm SARS-CoV-2 thông qua thụ thể ACE2 là một mục tiêu quan trọng, vì từ sự hiểu biết đó, các nhà khoa học có thể phát triển một loại thuốc đặc hiệu cho Covid-19 hoặc một loại vắc-xin hoạt động bằng cách ngăn chặn cơ chế lây nhiễm tế bào này.

Và gần đây, một nhóm các nhà khoa học Trung Quốc tại Phòng thí nghiệm trọng điểm về sinh học cấu trúc tỉnh Chiết Giang đã chụp những hình ảnh đầu tiên về thụ thể ACE2 và protein gai SARS-CoV-2 ở độ phân giải 2,9 angstrom (0,29 nm), gần bằng kích thước nguyên tử (0,1-0,5 nm).

Những hình ảnh 2D này sau đó được lắp ráp lại và mô hình hóa bằng phần mềm 3D, lần đầu tiên giải thích được bản chất hóa học của quá trình nhiễm SARS-CoV-2: Cụm phân tử nào của protein gai liên kết với phần nào của thụ thể ACE2 và với loại liên kết hóa học nào?

Hình ảnh thụ thể ACE2 được tái tạo ở dạng 3D với độ phân giải nguyên tử.

Dựa trên hình ảnh 3D thực tế này, các nhà khoa học thấy rằng các gai protein SARS-CoV-2 thực chất bao gồm 2 tiểu đơn vị S1 và S2.

S1 chứa miền liên kết thụ thể (RBD), là vũ khí mà virus sử dụng để liên kết với miền peptisase (DP) trên thụ thể ACE2 của tế bào phổi. Trong khi đó, S2 trên gai hoạt động để phục vụ chính virus, chịu trách nhiệm cho phản ứng hợp nhất vào màng bảo vệ của nó.

Các hình ảnh được chụp bằng kính hiển vi điện tử cryo (cryo-EM), một kỹ thuật hình ảnh có thể tạo ra độ phân giải nguyên tử. Trong đó, các nhà khoa học Trung Quốc đã mua các protein gai tái tổ hợp tinh khiết và trộn chúng với ACE2 mà họ tự tổng hợp.

Điều đó có nghĩa là toàn bộ nghiên cứu không sử dụng toàn bộ virus SARS-CoV-2. Họ chỉ chụp ảnh các gai “bị cạo ra”, giống như nghiên cứu răng nanh của một con rắn độc.

Miền liên kết thụ thể (RBD) là vũ khí mà vi-rút sử dụng để liên kết với miền peptisase (DP) trên thụ thể ACE2 của tế bào phổi.

Dưới kính hiển vi cryo-EM, các nhà khoa học quan sát thấy trong quá trình S1 liên kết với thụ thể ACE2, một vị trí cắt khác trên S2 sẽ bị lộ ra và bị cắt bởi protease của vật chủ, một quá trình rất quan trọng đối với nhiễm trùng do vi-rút.

Mỗi cụm PD trên thụ thể ACE2 chỉ cho phép một cụm RBD virus liên kết. Một vùng vòng mở rộng của RBD kéo dài vòng xoắn α1 của ACE2-PD như một cây cầu.

Xoắn ốc α2 và một vòng kết nối các sợi β3 và β4 không song song của PD cũng đóng góp hạn chế vào sự phối hợp RBD. Trong hình, các tương tác này được thể hiện bằng các đường đứt nét màu đỏ:

Gai virus SARS-CoV-2 (màu vàng), thụ thể ACE2 trên tế bào phổi (màu xanh lá cây) và liên kết hóa học giữa chúng.

“Xi măng” kết nối “đầu cầu” của cụm RBD từ virus đến α1 của PD là tương tác với đầu cuối amino (N) và carboxyl (C). Đầu cuối N liên kết với RBD bằng liên kết hydro. Trong khi một số phân đoạn khác của RBD liên kết với ACE2 thông qua lực van der Waals.

Về cơ bản, các liên kết hóa học mà SAR-CoV-2 sử dụng để xâm nhập vào tế bào người tương tự như những gì virus SARS đã làm trong đại dịch năm 2003. Tuy nhiên, vẫn có một số khác biệt nhất định, giải thích cho ái lực cao hơn của virus đối với tế bào, cũng như sự lây lan mạnh hơn của dịch Covid-19 hiện nay so với dịch SARS 17 năm trước:

So sánh sự liên kết của SARS-CoV-2 với ACE2 (màu cam và xanh lá cây) bằng cách chồng nó lên sự liên kết của vi-rút SARS với cùng một thụ thể (màu xanh lá cây và vàng)

Các nhà khoa học cho biết cả SARS và Covid-19 đều tấn công thụ thể ACE2 trên bề mặt tế bào phổi. Ngoài ra, SARS trước đây đã tấn công ruột và thận của bệnh nhân, nơi cũng chứa các tế bào chứa thụ thể này. Tim cũng chứa ACE2, nhưng SARS và Covid-19 đều không ảnh hưởng đến tim của bệnh nhân, điều mà các nhà khoa học vẫn chưa hiểu tại sao.

Cuối cùng, với nghiên cứu mới này, các nhà khoa học hy vọng có thể làm sáng tỏ bản chất lây nhiễm của virus SARS-CoV-2, cung cấp thông tin quan trọng cho phép chúng ta phát triển các phương pháp điều trị và vắc-xin ngăn chặn đường đi của Covid-19.

Nghiên cứu này đã được công bố trên tạp chí Science.

*Để hiểu rõ hơn về bản chất của virus SARS-CoV-2 đang gây ra dịch Covid-19, hãy làm bài kiểm tra sau: