Các nhà khoa học chụp được ảnh virus Covid-19 ở độ phân giải nguyên tử

Virus SARS-CoV-2 gây ra dịch Covid-19 chỉ là một hạt hình cầu có kích thước 100 nm. Để dễ hình dung, nó chỉ nhỏ bằng 1/900 so với đường kính sợi tóc người.

Sử dụng kính hiển vi điện tử, một nhóm các nhà khoa học tại Phòng thí nghiệm Rocky Mountains tháng trước đã phóng đại được hình ảnh virus này lên 300.000 lần, tiết lộ những hình ảnh chi tiết đầu tiên về cấu trúc của SARS-CoV-2.

Những hình ảnh này xác nhận SARS-CoV-2 là một chủng virus corona có cấu trúc gồm 4 phần: vỏ bọc nhân (N), vỏ bọc (E), màng(M) và gai (S). Vỏ bọc nhân tạo thành lõi di truyền. Nó lại được bọc trong các protein làm nên vỏ và màng của virus.

Cấu trúc của virus corona.

Các protein phát triển đột biến ra bên ngoài màng, tạo thành những chiếc gai dính khắp xung quanh bề mặt SARS-CoV-2, khiến nó có hình giống vương miện và phát quầng sáng dưới kính hiển vi điện tử.

Chính đặc điểm này đã được sử dụng để đặt tên cho chúng, virus corona với "corona" nghĩa là "vương miện" hoặc "quầng sáng". Và cũng lại là những gai protein này đóng vai trò hết sức quan trọng trong quá trình lây nhiễm của SARS-CoV-2 vào tế bào vật chủ.

Nghiên cứu cho thấy khi gai protein của virus tìm được các thụ thể ACE2 (enzyme chuyển đổi angiotensin 2) trên bề mặt tế bào phổi người, chúng sẽ xâm nhập được vào bên trong và bắt đầu chiếm quyền kiểm soát tế bào để nhân lên và gây bệnh.

Tìm hiểu cơ chế lây nhiễm của SARS-CoV-2 qua thụ thể ACE2 là một mục tiêu tối quan trọng, bởi từ những hiểu biết đó, các nhà khoa học có thể điều chế ra thuốc đặc trị cho Covid-19 hoặc một loại vắc-xin hoạt động bằng cách chặn cơ chế lây nhiễm tế bào này.

Cơ chế lây lan của Covid-19.

Và mới đây, một nhóm các nhà khoa học Trung Quốc tại Phòng thí nghiệm Trọng điểm về Cấu trúc sinh học tỉnh Chiết Giang đã lần đầu tiên chụp được những tấm ảnh của thụ thể ACE2 và gai protein của SARS-CoV-2 tới độ phân giải 2,9 angstrom (0,29 nm), tiệm cận tới kích thước nguyên tử (0,1-0,5 nm).

Những tấm ảnh 2D này sau đó được xếp lại và mô hình hóa bằng phần mềm 3D đã lần đầu tiên giải thích bản chất lây nhiễm hóa học của SARS-CoV-2: Cụm phân tử nào của gai protein đã liên kết với phần nào của thụ thể ACE2, bằng liên kết hóa học dạng nào.

Ảnh thụ thể ACE2 được dựng 3D với độ phận giải cỡ nguyên tử.

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

S1 chứa miền liên kết thụ thể (receptor binding domain - RBD), là thứ vũ khí mà virus dùng để liên kết vào miền peptisase (DP) trên thụ thể ACE2 của tế bào phổi. Trong khi đó S2 trên gai hoạt động để phục vụ bản thân virus, là nơi chịu trách nhiệm cho phản ứng tổng hợp lên màng bảo vệ cho nó.

Hình ảnh được chụp dưới kính hiển vi điện tử đông lạnh (cryo-EM), một kỹ thuật chụp hình có thể cho độ phân giải đến từng nguyên tử. Trong đó, các nhà khoa học Trung Quốc đã đặt mua các gai protein được tái tổ hợp và tinh chế, rồi trộn nó với ACE2 mà họ tự tổng hợp được.

Điều đó có nghĩa là toàn bộ nghiên cứu này không sử dụng đến virus SAR-CoV-2 hoàn chỉnh. Họ chỉ đang chụp ảnh những chiếc gai virus đã được "nạo ra", giống như nghiên cứu những cái nanh của một con rắn độc.

Miền liên kết thụ thể (receptor binding domain - RBD), là thứ vũ khí mà virus dùng để liên kết vào 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 phân cắt khác trên S2 được lộ ra ngoài và bị cắt bởi các protease của vật chủ, một quá trình rất quan trọng đối với sự lây nhiễm virus.

Mỗi cụm PD trên thụ thể ACE2 chỉ cho một cụm RBD của virus liên kết vào. Một vùng vòng lặp mở rộng của RBD kéo dài chuỗi xoắn ốc hình tròn α1 của ACE2-PD giống như một cây cầu.

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

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

Chất "xi măng" gắn kết "đầu cầu" cụm RBD bắc từ virus sang α1 của PD là tương tác với các termini amino (N) và carboxyl (C). Điểm cuối của N liên kết vào 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 tế bào người giống với những gì mà virus SARS đã làm được trong đại dịch năm 2003. Tuy nhiên, nó vẫn có một số khác biệt nhất định, giải thích ái lực cao hơn của virus với tế bào, cũng như sự lây lan mạnh hơn của dịch Covid-19 hiện tại so với dịch SARS 17 năm về trước:

So sánh ảnh chụp liên kết của SARS-CoV-2 với ACE2 (màu cam và xanh lục) bằng cách đặt chồng nó lên liên kết của virus SARS với cùng thụ thể (màu xanh lá và vàng)

Các nhà khoa học cho biết cả SARS và Codid-19 đều tấn công vào thụ thể ACE2 có trên bề mặt tế bào phổi. Ngoài ra, SARS trước đây đã tấn công cả vào ruột và thận của bệnh nhân, nơi cũng có các tế bào chứa thụ thể này. Tim cũng chứa ACE2, nhưng cả SARS và Covid-19 đều buông tha trái tim của các bệnh nhân, một điều các nhà khoa học cũng chưa hiểu tại sao lại vậy.

Cuối cùng, với nghiên cứu mới này, các nhà khoa học hy vọng đã làm sáng tỏ được bản chất lây nhiễm của virus SARS-CoV-2, cung cấp một tài liệu quan trọng cho phép chúng ta có thể phát triển được các loại thuốc điều trị và vắc-xin ngăn chặn con đường xâm nhập của Covid-19.

Nghiên cứu đã được xuất bản trên tạp chí Science.

• Phải làm gì khi trẻ không chịu đeo khẩu trang khi dịch COVID-19 vẫn chưa dứt hẳn?
• Phát hiện virus corona tiến hóa thành 2 chủng khác nhau
• 10 lời khuyên mới nhất của thế giới bảo vệ sức khoẻ mùa dịch Covid-19
• Vì sao virus corona lây quá nhanh?