اگر ویروس کرونا را تحت فشار قرار دهید، متلاشی می‌شود؟

از میان سوالات مرتبط با دنیاگیری که ذهن دانشمندان را به خود مشغول کرده است، سوالی که ژان پریلا، متخصص شیمی بیوفیزیک دانشگاه دلاویر آمریکا مطرح می‌کند، ممکن است از عجیب‌ترین سوالات باشد: اگر بتوان ویروس کرونا را له کرد، آیا دربرابر فشار مقاومت می‌کند یا خرد می‌شود؟

دکتر ژان پریلا در گفت‌وگو با نیویورک تایمز گفت ویروس‌هایی مانند HIV تمایل دارند روی سمت نرم‌تر قرار گیرند و مانند توپ فومی له می‌شوند، درحالی‌که ویروس‌هایی که موجب آنفلوانزا می‌شوند، شکننده‌تر هستند و مانند تخم‌مرغ مستعد شکستن هستند. دکتر پریلا گفت: «این چیزی است که هرگز وقتی درمورد ویروس‌ها صحبت می‌کنید، آن را درنظر نمی‌گیرید. اما برای پی بردن به نحوه‌ی تشکیل یک واحد عفونی کامل (ویریون)، درک آن ضروری است.»

یک واحد عفونی ویروسی از تجمع ذرات ویروسی تشکیل می‌شود و این ساختار برای زیست‌شناسان علاقمند به درک کارکردهای درونی عفونت اهمیت دارد. در سال‌های اخیر فیزیکدانان نیز به این رشته پیوسته‌اند و مشتاق رمزگشایی این موضوع هستند که ویروس‌ها چگونه درکنار هم تجمع پیدا می‌کنند و در نبود بیشتر ماشین‌آلاتی که به سلول‌ها توانایی تکثیر و فعالیت می‌دهد، از جایی ‌به‌ جای دیگر حرکت می‌کنند.

برخی فیزیک‌دانان مانند دکتر پریلا درحال بررسی ویژگی‌های مکانیکی ذرات ویروس هستند، درحالی‌که برخی دیگر نیروهایی را مورد نظارت قرار می‌دهند که ذرات ویروسی را گرد هم آورده یا آن‌ها را از هم جدا می‌کند. برخی حتی درحال استفاده از فیزیک برای طراحی درمان‌های نسل بعدی کووید ۱۹ هستند، چه با ایجاد اختلال در نیروهایی که ویروس‌ها را درون سلول‌های انسان گردهم می‌آورد و چه ازطریق ساخت واکسن‌های خودتکثیرشونده. جودی هادن پریلا، متخصص شیمی بیوفیزیک دانشگاه دلاویر که همکار و همسر دکتر ژان پریلا است، گفت: «وقتی نحوه‌ی عمل چیزی را درک کنید، می‌توانید به نحوه‌ی تخریب آن نیز پی ببرید.»

اکنون فیزیک و ویروس‌شناسی چنان به هم گره خورده‌اند که اتحاد آن‌ها نامی رسمی پیدا کرده است: فیزیک ویروس‌ها (یا برای برخی‌ها، ویروس‌شناسی فیزیکی). داده‌هایی که پیشگامان این حوزه از علم تولید می‌کنند، نتایجی فراتر از دنیای میکروبی دارد. لانل ویلیامز، ویروس‌شناس و فیزیکدان دانشگاه هاروارد گفت: «درنهایت هدف ما درک این موضوع است که ویروس‌ها از کدام اصول فیزیکی پیروی می‌کنند.»

شبیه‌سازی نشان‌دهنده‌ی یکی از مراحل احتمالی فرایند مونتاژ ویروس کرونا است. پس از متراکم شدن ژنوم ویروس (کُره)، ذره‌ی حاصل پوشش چربی (ماده شبکه‌مانندی که حبابی را اطراف کره تشکیل می‌دهد) را می‌رباید که از غشای سلول گرفته می‌شود. بخشی از این فرایند شامل واداشتن غشای میزبان برای تاب خوردن دور ژنوم ویروس است.

ویروس‌ها کمپلکسی ساده و درعین‌حال گیج‌کننده هستند. بسیاری از آن‌ها از چیزی بیشتر از کلافی از ماده ژنتیکی که در پوششی پروتئینی قرار گرفته‌ است، تشکیل نشده‌اند که حتی به اندازه‌ای نیست که دانشمندان آن‌ها را زنده درنظر بگیرند. آن‌ها کاملا به کارکردهای درونی سلول‌ها وابسته هستند و بدون کمک اشکال حیاتی که آن‌ها را آلوده می‌کنند، نمی‌توانند تکثیر شوند. با‌این‌حال، در شرایط مناسب، اجزای اساسی ویروسی می‌توانند کاری را انجام دهند که بسیاری از پدیده‌های طبیعی قادر به انجام آن نیستند: فرایندی که خودسامانی نام دارد یعنی ترکیب قطعات خود به شکل ذرات ساختاریافته منظم بدون وجود هیچ نیروی خارجی که این فرایند را هدایت کند. خانم ویلیامز گفت: «این سؤال جذابی است: چرا بدون هیچ کمکی همه چیز مرتب می‌شود؟»

دانشمندان می‌توانند این فرایند اسرارآمیز را درون لوله‌های آزمایشگاهی بازتولید کنند. آن‌ها تکه‌هایی از مواد ژنتیکی و پروتئین‌ها را همراه هم در سوپ شیمیایی نمکی می‌چرخانند و شاهد جوانه زدن ویروس‌ها هستند. وینوتان منوهاران، مهندس و بیوفیزیکدان دانشگاه هاروارد گفت: «این فوق‌العاده است. قطعات به‌صورت خود‌به‌خود و بدون هیچ مداخله‌ی فعالی گرد هم می‌آیند».

بیل گلبرت از دانشگاه کالیفرنیا گفت که قابلیت ساخت شگفت‌انگیز ویروس‌ها بود که ۲۰ سال پیش وی را از شیمی فیزیک به سمت ویروس‌ها سوق داد. این ویژگی در سلول‌های سرطانی دیده نمی‌شود و حتی باکتری‌ها که از ساده‌ترین و شناخته‌شده‌ترین اشکال حیات هستند، وقتی متلاشی می‌شوند، دیگر بازسازی نمی‌شوند. اما از این نظر، ویروس‌ها فرق دارند. دکتر گلبرت گفت: «به‌شدت مجذوب این ایده شده بودم که یک ذره ویروس عفونی را می‌توان از اول با استفاده از اجزای خالص‌شده ساخت و به این فکر افتادم که باید این کار را انجام دهم». همین میل موجب شده است آزمایشگاه‌های فیزیک ویروس در سراسر جهان ایجاد شود. آزمایشگاه دکتر منوهاران یکی از آن‌ها است که روی سرهم‌بندی باکتریوفاژها تمرکز دارد که ویروس‌هایی هستند که منحصرا باکتری‌ها را آلوده می‌کنند. به‌عقیده‌ی دکتر منوهاران، تصاویر ثابت و نمودارهای موجود در کتاب‌های درسی ویروس‌ها را به‌خوبی به تصویر نمی‌کشند. آن‌ها معمولا روی محصولات مونتاژ ویروس تمرکز می‌کنند.

به‌طورکلی، پژوهشگران هنوز پاسخی برای این سؤال ندارند که ویروس‌ها چگونه بدون آشفتگی بسته‌بندی می‌شوند. این فرایند خصوصا برای ویروس‌های کرونا که دارای برخی از بزرگ‌ترین ژنوم‌های RNA شناخته‌شده تاکنون هستند، پیچیده است. اما دانشمندان راه‌هایی برای بررسی فرایند مونتاژ ویروس‌های کرونا کشف کرده‌اند و شروع به بازتولید آن کرده‌اند.

ریزنگار الکترونی روبشی از بافت بافت اپیتلیال بینی آلوده به ویروس کرونا

یکی از مراحل حیاتی اولیه در سازه‌ی ویروس کرونا به کمک پروتئینی انجام می‌شود که نوکلئوکپسید نام دارد که RNA ویروس را به شکل ساختار فشرده‌ای درمی‌آورد و آن را درجای خود نگه می‌دارد تا راحت‌تر بسته‌بندی شود. جاسمین کوبوک از دانشگاه واشینگتن درحال استفاده از تکنیک میکروسکوپی به نام انتقال انرژی رزونانسی فورستر (FRET) برای نظارت بر این حرکات مولکولی در زمان واقعی است.

در مطالعه‌ای که هنوز در مجله‌ی علمی منتشر نشده است، خانم کوبوک و همکارانش نشان دادند که نوکلئوکپسیدها حالت جنبنده‌ای دارند که ممکن است به آن‌ها کمک کند تا در جستجوی شرکای RNA ویروسی خود در اطراف سلول میزبان حرکت کنند. خانم کوبوک و همکارانش دریافتند که نوکلئوکپسید و RNA با همدیگر همکاری می‌کنند و خود را از مولکول‌های اطراف جدا می‌کنند. به‌نظر می‌رسد این حرکات بسته‌های فشرده‌ای از مواد ویروسی ایجاد می‌کند و ممکن است به توضیح این مسئله کمک کند که چگونه ژنوم بزرگ ویروس کرونا در چیزی به این ریزی بسته‌بندی می‌شود.

رویا زندی از دانشگاه کالیفرنیا مرحله‌ی بعدی فرایند را مورد بررسی قرار می‌دهد: بسته‌بندی ژنوم تازه متراکم شده در پوشش خارجی چرب و شکننده‌. برای انجام این کار، ویروس باید مقداری از غشاهای روغنی سلول‌های میزبان خود را برباید درحالی‌که پروتئین‌های خودش را درهم ببافد.

دکتر زندی و همکارانش با استفاده از مدل‌های محاسباتی و شبیه‌سازی‌ درحال آزمایش این موضوع هستند که چگونه اجزای ویروس و انسانی گرد هم می‌آیند. وی گفت نکته‌ی جالب این است که ویروس چگونه پوشش خارجی را مجبور می‌کند که در اطرافش خم شود و پاتوژن را به کُره‌ی پیچ‌و‌خم دار و دارای اسپایکی تبدیل کند. وی گفت: «غشا باید تا حد زیادی دور ژنوم به این بزرگی پیچ بخورد. چه نوع فعال و انفعالاتی میان پروتئین‌ها باعث این کار می‌شود؟» دانش موجود در این آزمایش‌ها می‌تواند نه‌تنها نحوه‌ی ایجاد ویروس‌ها بلکه نحوه‌ی تخریب آن‌ها را نیز به دانشمندان بیاموزد.

تصویری که با استفاده از میکروسکوپ الکترونی کرایو از کپسید ویروس هپاتیت B تهیه شده است که در آن پروتئین به رنگ قرمز، سبز، زرد و آبی نشان داده شده است و ترکیب دارومانند HAP-TAMRA به رنگ سرخابی نشان داده شده است.

چندین دهه پژوهش مجددا تأیید کرده است که فرایند مونتاژ ویروس‌ها بسیار ناپایدار است. کافی است یک متغیر را تغییر دهید، کل سازه برهم می‌ریزد یا هرگز تشکیل نمی‌شود. این نااستواری دقیقا همان چیزی است که بسیاری از پژوهشگران روی آن حساب می‌کنند. آدام زلاتنیک بیوفیزیکدان از دانشگاه ایندیانا در آمریکا درزمینه برهم زدن سرهم‌بندی ویروس تخصص دارد. به گفته‌ی وی، یک استراتژی آشکار وارد کردن دارو یا درمان دیگری برای کاهش یا توقف ساخت ویروس‌های جدید است. اما او و همکارانش دریافته‌اند که استفاده از داروها برای تسریع این روند همچنین می‌تواند فاجعه‌بار باشد.

اگر ذرات ویروسی ازنظر تکان خوردن و پیوستن به هم برای ایجاد پیکربندی مناسب با مشکل مواجه شوند یا نتوانند خطاهای اولیه را تصحیح کنند، درنهایت ممکن است با تجمع اشتباهات کل ساختار دچار بدشکلی شود. اما دکتر زلاتنیک می‌گوید اگر موجب شوید این کار کمی سریع‌تر انجام شود، بد است و ویروس‌های بیشتری خواهید داشت. اما اگر سرعت خیلی بیشتر شود، خرابکاری می‌شود و ذرات معیوبی تولید خواهد شد. دکتر زلاتنیک بیشتر وقت خود را صرف کار روی ویروس هپاتیت B کرده است و به ساخت داروهایی کمک کرده است که می‌تواند فرایند مونتاژ پاتوژن را مختل کند و برخی از آن‌ها در کارآزمایی‌های بالینی قرار دارند. دکتر زلاتنیک گفت اگرچه ویروس کرونا بسیار متفاوت است، اما روزی می‌تواند دربرابر همین استراتژی کلی آسیب‌پذیر باشد.

این نیرو را می‌توان با مجموعه‌ی کوچکی از «انبرک‌های نوری» اندازه‌گیری کرد؛ لیزری که با استفاده از مهره‌ی شیشه‌ای میکروسکوپی به یک انتهای پلیمراز قلاب می‌شود و درجهت مخالف مسیر پروتئین کشیده می‌شود. دکتر باستامنت امیدوار است به‌خوبی درمورد این فرایند بداند تا دارویی را بسازد که فرایند نسخه‌برداری RNA را مهار کند.

در دلاویر، دکتر پریلا و دکتر هادن پریلا درحال مطالعه‌ی لحظه‌‌ی زودتری در این فرایند هستند: وقتی ویروس کرونا وارد سلول انسانی می‌شود و ژنوم خود را باز می‌کند. این فرایند ویروس را از ذره‌ی عفونی مقاوم که باید به کمک هوا حرکت کند و از سلول‌های ایمنی فرار کند، به الگویی عریان و آسیب‌پذیر تبدیل می‌کند. اما دانشمندان به‌طور کامل نمی‌دانند ویروس چگونه می‌داند چه زمانی باید عریان شود. دکتر پریلا گفت دراین‌باره مشکوک است که نوعی سیگنال درون سلول‌های انسانی بتواند محرک باز شدن پوسته ویروس و آزاد شدن RNA ویروس باشد. این درمورد ویروس ابولا صدق می‌کند. متوقف کردن فرایند می‌تواند برای متوقف کردن عفونت قبل از اینکه از کنترل خارج شود، حیاتی باشد.

میکروگراف الکترونی روبشی از بافت اپیتلیال بینی آلوده به ویروس کرونا

دکتر گلبرت در آزمایشگاه خود در لس‌آنجلس، درحال ساخت واکسن ویروس کرونای جدیدی است. واکسن وی که با همکاری ویروس‌شناسی به نام اوتو یانگ طراحی شده است، حاوی دو جزء اصلی است که هر دو از ویروس‌های بسیار ساده‌ای که فقط از RNA و پروتئین تشکیل شده‌اند، الهام گرفته‌اند. اولی یک پوسته‌ی پروتئینی خالی است که از ویروس گیاهی بی‌ضرری گرفته شده است و حاوی پروتئین‌های اسپایک ویروس کرونا است که قبلا تولید شده است. این ذره به‌خودی‌خود عفونی نیست اما می‌تواند به سیستم ایمنی آموزش دهد تا اگر ویروس واقعی به بدن حمله کند، بتواند آن را شناسایی کرده و با آن مبارزه کند. واکسن تیم گلبرت همچنین شامل پوسته ویروس عاری از اسپایکی است که حاوی RNA است که به سلول‌های انسانی دستور می‌دهد تا موج دومی از پروتئین‌های ویروس کرونا را تولید کنند.

واکسن‌هایی که بوسیله‌ی شرکت‌های فایزر بیوان‌تک و مدرنا ساخته شده‌اند، از فناوری مشابهی استفاده می‌کنند و در سرتاسر جهان درحال استفاده هستند. اما RNA موجود در این واکسن‌ها شکننده است و پس از تزریق فقط تا چند روز باقی می‌ماند که دوره‌ای را که سیستم ایمنی در مواجهه با پروتئین اسپایک ویروس کرونا قرار می‌گیرد، محدود می‌کند. برای طولانی‌تر شدن مدت زمان ماندگاری RNA در بدن، واکسن نسل بعدی دکتر گلبرت همراه‌با مولکول دیگری می‌آید تا ماده‌ی ژنتیکی را قدری بیشتر تکثیر کند با این امید که بدن بتواند حافظه‌ی خود از ویروس کرونا را تقویت و طولانی کند.

آزمایش‌های اولیه در آزمایشگاه نشان می‌دهد واکسن این تیم که هنوز در مراحل ابتدایی خود قرار دارد، موجب افزایش شدت پاسخ برخی از سلول‌های ایمنی می‌شود. هیچ ویروس عفونی تولید نمی‌شود و واکسن فقط درسی طولانی برای آموزش سلول‌های ایمنی است.

در قلب ایده‌ی تیم، این توانایی ویروس‌ها قرار دارد که می‌توانند بدون آسیب به سلول‌های میزبان وارد شده و محتویات خود را به آن تحویل دهند. دکتر گلبرت گفت این فرایند برای تبدیل شدن به گزینه‌ی ایمن و پایدار برای مبارزه با بیماری‌های آینده به اصلاحات زیادی نیاز ندارد. وی گفت: «ما درحال یادگیری از ویروس هستیم. چگونه از RNA محافظت کنیم و آن را به جایی که می‌خواهیم برسانیم.» برای او و دیگر پژوهشگران این حوزه، سادگی ویروس‌ها منبع جذابیت و قدرت آن‌ها است.