Chu kỳ sinh sản của virus đòi hỏi quá trình tự lắp ráp, trưởng thành của các hạt virus và sau khi lây nhiễm, giải phóng vật liệu di truyền vào tế bào chủ. Các công nghệ mới dựa trên vật lý cho phép các nhà khoa học nghiên cứu động lực của chu trình này và cuối cùng có thể tìm ra các phương pháp điều trị mới. Trong vai trò là nhà virus học vật lý, Wouter Roos, nhà vật lý học tại Đại học Groningen, cùng với hai đồng nghiệp lâu năm, đã viết một bài báo đánh giá về những công nghệ mới này, được đăng trên tạp chí Nature Reviews Physics ngày 12 tháng 1.
Roos nói: “Vật lý đã được sử dụng trong một thời gian dài để nghiên cứu virus. ‘Các định luật vật lý chi phối các sự kiện quan trọng trong chu kỳ sinh sản của chúng.’ Những tiến bộ gần đây trong các kỹ thuật dựa trên vật lý đã cho phép nghiên cứu quá trình tự lắp ráp và các bước khác trong chu trình sinh sản của các hạt virus đơn lẻ và ở độ phân giải lần thứ hai. Roos cho biết thêm: “Những công nghệ mới này cho phép chúng tôi thấy được động thái của virus.”
Năng lượng
Năm 2010, lần đầu tiên ông xuất bản một bài báo đánh giá về các khía cạnh vật lý của virus học với hai đồng nghiệp của mình. ‘Hồi đó, hầu như tất cả các nghiên cứu về virus đều tương đối tĩnh, ví dụ như tạo áp lực lên một hạt virus để xem nó phản ứng như thế nào.’ Vào thời điểm đó, các nghiên cứu về quá trình động, chẳng hạn như tự lắp ráp, được thực hiện hàng loạt, không có tùy chọn phóng to các hạt riêng lẻ. ‘Điều này đã thay đổi trong vài năm qua và do đó, chúng tôi nghĩ rằng đã đến lúc phải xem xét lại.’ Bài báo này, ‘Vật lý về Động lực học Virus’, được đồng tác giả bởi Robijn Bruinsma từ Đại học California ở Los Angeles (Mỹ) và Gijs Wuite từ VU Amsterdam (Hà Lan).
Vi rút tấn công các tế bào và buộc chúng tạo ra các khối cấu tạo protein cho các phần tử virus mới và sao chép vật liệu di truyền của chúng (RNA hoặc DNA). Điều này dẫn đến trong té bào chất chứa đầy các phần của virus, chúng tự lắp ráp để tạo ra các phần tử RNA hoặc DNA được bao bọc. ‘Không cần năng lượng bên ngoài cho quá trình này. Và ngay cả trong ống nghiệm, hầu hết các virus sẽ tự tổng hợp một cách nhanh chóng. ‘ Quá trình này thông thường được nghiên cứu trên số lượng lớn, tính trung bình hành vi của một số lượng lớn các hạt virus. ‘Vì vậy, chúng tôi không biết về phương sai trong tập hợp các hạt riêng lẻ.’
Quét dưới giây (Sub-second scans)
Trong vài năm qua, các công nghệ đã được phát triển để nghiên cứu các hạt riêng lẻ này trong thời gian thực. Một trong số đó là Kính hiển vi lực nguyên tử tốc đôj cao (AFM). Kính hiển vi lực nguyên tử quét các bề mặt bằng đầu có kích thước nguyên tử và do đó có thể lập bản đồ cấu trúc liên kết của chúng. Roos, người sử dụng AFM tốc độ cao cho biết: ‘Gần đây, tốc độ quét của AFM đã tăng lên đáng kể và bây giờ chúng tôi có thể thực hiện quét dưới giây các bề mặt có kích thước nhỏ hơn 1 micromet vuông bằng AFM tốc độ cao. Điều này cho phép chúng tôi xem cách các tiểu đơn vị virus tập hợp trên bề mặt. Đó là một quá trình rất năng động, với các khối được xây dựng và giải phóng.
‘ Huỳnh quang đơn phân tử cũng được sử dụng để nghiên cứu virus, ví dụ, sự gắn các protein của virus vào DNA. ‘Sử dụng nhíp quang học, chúng tôi giữ hai hạt nhỏ ở hai đầu của phân tử DNA. Khi các protein của virus liên kết với DNA, nó sẽ cuộn lại và đưa hai hạt lại gần nhau hơn. Điều này được hình dung bằng các điểm đánh dấu huỳnh quang gắn trên các hạt. ‘ Ngoài ra, các protein có đánh dấu huỳnh quang có thể được quan sát trong khi chúng gắn vào DNA của virus hoặc với các protein khác. Công nghệ thứ ba là sử dụng kính hiển vi quang học để đo sự giao thoa của ánh sáng bị phân tán bởi các hạt virus. Những mẫu này tiết lộ cấu trúc của các hạt trong quá trình lắp ráp.
Quá trình tăng tính bền
Các bước khác trong chu trình virus cũng có thể được nghiên cứu. Roos cho biết: “Sau khi chúng tự lắp ráp, các hạt cần phải bền bỉ hơn để chống chọi với các điều kiện bên ngoài tế bào chủ. Các biến đổi khác cũng xảy ra, chuẩn bị cho các phần tử lây nhiễm sang các tế bào khác. Động lực của quá trình trưởng thành này rất quan trọng đối với sự hiểu biết của chúng ta về cách thức hoạt động của virus. ‘Và sau khi lây nhiễm vào các tế bào mới, hạt virus phải tách ra để giải phóng vật liệu di truyền của nó.’
Công nghệ mới hiện đang tiết lộ các động lực vật lý của virus. Nó cho phép các nhà khoa học như Roos và các đồng nghiệp của ông nghiên cứu cách vật chất di truyền được kết hợp và các nguyên tắc vật lý nào định hướng quá trình này. Hầu hết các loại thuốc kháng virus làm gián đoạn các bước đầu tiên của quá trình lây nhiễm, chẳng hạn như sự liên kết của các phần tử virus với tế bào chủ của chúng. Sử dụng thông tin mới này, chúng tôi có thể phát triển các loại thuốc ngăn chặn quá trình tự lắp ráp hoặc các bước quan trọng khác trong chu kỳ sinh sản của virus.
Công nghệ nano
Sự hiểu biết sâu sắc về vật lý của các phần tử virus cũng rất quan trọng để sử dụng chúng trong nghiên cứu, ví dụ như các khối xây dựng trong công nghệ nano hoặc làm chất mang kháng nguyên trong vắc xin. Một số loại vắc xin COVID-19 hàng đầu sử dụng adenovirus để cung cấp gen cho protein đột biến SARS-CoV-2 đến các tế bào, sau đó biểu hiện gen này và từ đó tạo ra phản ứng miễn dịch. ‘Hiểu được cách thức các adenovirus kết hợp với nhau và phân tách có thể giúp tạo ra các loại vắc xin ổn định hơn.’
Nguồn tài liệu:
Tài liệu do Đại học Groningen cung cấp. Lưu ý: Nội dung có thể được chỉnh sửa trình bày và độ dài.
Tài liệu tham khảo:
- Physics of viral dynamics.
Robijn F. Bruinsma, Gijs J. L. Wuite, Wouter H. Roos. Nature Reviews Physics, 2021;
DOI: https://www.nature.com/articles/s42254-020-00267-1
Bài viết được dịch thuật và biên tập bởi ykhoa. org – vui lòng không reup khi chưa được cho phép!
Nguồn: ScienceDaily
Link: https://www.sciencedaily.com/releases/2021/01/210114130130.htm
Người dịch: Roxie Dương
Hiệu đính: Dương Ngọc
Tham gia cập nhật kiến thức y khoa tại page YLS: //www.facebook.com/ylamsang.ykhoa
