Vi-rút viêm gan C, hay HCV, gây nhiễm trùng gan mãn tính có thể dẫn đến sẹo gan vĩnh viễn và trong trường hợp nghiêm trọng là ung thư. Nó ảnh hưởng đến khoảng 71 triệu người trên toàn thế giới và gây ra khoảng 400.000 ca tử vong mỗi năm. Mặc dù các phương pháp điều trị có sẵn cho các bệnh nhiễm trùng liên quan đến HCV, nhưng chúng khá đắt đỏ, khó tiếp cận và không bảo vệ bệnh nhân khỏi việc tái nhiễm. Việc tạo ra một loại vắc-xin có thể giúp ngăn ngừa nhiễm HCV là một nhu cầu lớn về y tế và sức khỏe cộng đồng chưa được đáp ứng.

Một trong những lý do chính tại sao vẫn chưa có vaccine HCV được tạo ra là do các nhà khoa học hiện nay vẫn chưa xác định được kháng nguyên (1 protein từ virus) hoặc 1 phần của virus phù hợp nào có thể giúp kích hoạt hệ miễn dịch của cơ thể chống lại virus này.

Qua nhiều thập kỷ nghiên cứu, các nhà khoa học đã xác định được E1E2- protein bề mặt của virus HCV là protein tiềm năng và đầy hứa hẹn cho việc tạo ra vaccine chống lại virus này. Tuy nhiên, việc phát triển vaccine HCV dựa trên protein này vẫn còn bị hạn chế bởi sự không chắc chắn về hình thù của nó trong khi việc hiểu cấu trúc protein là điều cần thiết để hiểu được cách mà hệ thống miễn dịch phản ứng với virus này.

Vậy làm thế nào để các nhà nghiên cứu có thể quan sát, nắm bắt được cấu trúc của một loại protein đơn lẻ trên một loại virus dễ biến đổi hình dạng như là HCV?

Các nhà nghiên cứu chuyên về kính hiển vi và tạo ra vaccine đã có thể hình dung phân tử chi tiết của loại protein khó nắm bắt này, mở ra những hiểu biết quan trong về cách thức hoạt động của loại virus này và đưa ra một kế hoạch tiềm năng cho việc tạo ra vaccine trong tương lai.

Những thách thức trong việc nắm bắt một loại virus dễ biến đổi (shape-shifting virus)

Một lý do khiến việc nắm bắt cấu trúc của protein E1E2 trở nên khó khăn vì nó là protein linh hoạt và dễ phân huỷ. Protein này thay đổi hình dạng liên tục và rất dễ bị phân huỷ và do đó rất khó để tinh sạch.

Việc nắm bắt cấu trúc của protein E1E2 khó tương tự như việc chụp ảnh từng miếng mì spaghetti riêng lẻ ở cùng một vị trí theo thời gian trong khi cái bát spaghetti đang lắc vậy.

Hơn nữa, vẫn còn có nhiều rào cản về công nghệ có thể giúp quan sát được protein mỏng manh này. Mặc dù các kĩ thuật hình ảnh có sẵn gần đây, tuy nhiên, vẫn còn nhiều hạn chế về khả năng xem các protein siêu nhỏ này. Chẳng hạn như tinh thể học tia X (X-ray crystallography) vẫn không thể giúp quan sát được các phân tử thường xuyên thay đổi và thay đổi hình dạng, như HCV. Ngoài ra, các kĩ thuật khác, chẳng hạn như quang phổ cộng hưởng từ hạt nhân (nuclear magnetic resonance spectroscopy) cần cắt các phần lớn protein hoặc thao tác hóa học với nó theo cách có thể biến đổi trạng thái sinh lý và những thay đổi chức năng tiềm năng.

Do vậy, để xem xét cấu trúc của protein E1E2, chúng ta cần một kĩ thuật để tách chiết, tinh chế và có thể giữ ổn định toàn bộ protein thay đổi linh hoạt này trong 1 cấu hình mà có thể chụp được dưới kính hiển vi.

Làm thế nào để chụp ảnh một protein

Cryo-EM, hay phương pháp đông lạnh mẫu thử dùng trong kính hiển vi điện tử là một loại kỹ thuật hình ảnh xem mẫu vật ở nhiệt độ đông lạnh, trong trường hợp này là nhiệt độ sôi của nitơ: âm 320,8 độ F (âm 196 độ C). Với nhiệt độ lạnh như vậy, băng đóng băng nhanh đến mức không có thời gian để kết tinh. Điều đó tạo ra một khung giống như thủy tinh tuyệt đẹp xung quanh protein quan tâm, cho phép quan sát mọi chi tiết cấu trúc của protein. Cryo-EM cũng cần rất ít lượng protein tinh sạch để chụp hình ảnh do đó giảm lượng protein mà chúng ta cần phải tách chiết và tinh sạch.

Giải thưởng Nobel về hoá học năm 2017 và là phương pháp của năm năm 2015 trên tạp chí Nature, cryo-EM là kĩ thuật tuyệt vời để chụp ảnh các phân tử sinh học cực lớn ở trạng thái tự nhiên hoặc khi chúng trong dung môi khác như máu người. Cryo-EM cũng là mấu chốt để mô tả cấu trúc của vi rút COVID-19 và các biến thể của nó.

Vậy làm thế nào để có thể chụp ảnh một protein?

Đầu tiên, protein E1E2 được biểu hiện trong tế bào người, được tách chiết và tinh sạch. Protein này sau đó được nhúng qua dung dịch Etan, sau đó là Nitơ lỏng. Etan lỏng được sử dụng để làm đóng băng protein vì có nhiệt độ sôi cao hơn Nitơ lỏng. Có nghiã nó có thể thu được nhiều nhiệt hơn trước khi chuyển sang dạng khí, cho phép protein đóng băng nhanh hơn nhiều so với khi ở trong Nitơ lỏng và tránh làm hư hỏng cấu trúc.

Một khi protein đã được đóng băng tương tự như thuỷ tinh, chúng ta không chỉ có thể nhìn thấy cấu trúc tổng thể của nó mà còn có thể nắm bắt được nhiều cấu hình riêng lẻ của protein khi mà nó có bất kì thay đổi hình dạng nào, bao gồm cả các dạng kém ổn định hơn.

Và lúc này, protein E1E2 đã sẵn sàng để chụp cận cảnh. Các nhà khoa học sử dụng một kính hiển vi với một chùm electron năng lượng cao, tập trung cùng với một máy ảnh chuyên dụng để xác định cách các phân tử này bật ra sau khi được bắn vào protein. Quá trình này tạo ra các hình ảnh 2D mà sau đó được dùng để chuyển đổi, tính toán để tạo thành mô hình cấu trúc 3D của protein E1E2.

Và đó là cách các nhà khoa học tiếp cận để có được cận cảnh protein bề mặt của virus HCV

Bước tiếp sau đó là đánh giá vị trí của từng acid amin hoặc khối cấu trúc của protein này trong không gian 3D. Bởi vì mỗi amino acid có một hình dáng nhất định, các nhà khoa học đã sử dụng chương trình máy tính để có thể xác định mỗi một amino acid này trong bản đồ 3D. Điều này cho phép tái cấu trúc thủ công mô hình protein có độ phân giải cao và toàn bộ cấu trúc protein ở một thời điểm.

Một công cụ mới để thiết kế vaccine HCV

Bản đồ 3D và mô hình của protein E1E2 HCV ra đời hỗ trợ mạnh mẽ cho các nghiên cứu trước đây mô tả cấu trúc của nó đồng thời cung cấp những hiểu biết mới về các tính năng sẽ giúp mở đường cho việc thiết kế vaccine chống lại virus này.

Ví dụ ở đây, cấu trúc protein E1E2 cho thấy giao diện giữa 2 phần chính của protein được ổn định bởi các gốc đường và thành phần kị nước hoặc các vùng đẩy các phân tử nước ra ngoài.

Điều này tạo ra các vùng liên kết dọc theo protein, có thể giúp ổn định và giữ chúng không bị rời ra- và đây là một trong những vị trí tiềm năng cho việc tạo kháng thể kháng virus HCV hoặc thiết kế các thuốc kháng virus HCV.

Các nhà nghiên cứu hiện nay cũng có nhiều công cụ giúp thiết kế thuốc kháng virus và vaccine chống lại HCV bên cạnh cryo-EM.

Nguồn: The Conversation.