Szkolenie online, autor: dr Jan Żak

Wszystko, co powinniśmy wiedzieć o koronawirusie
i testach

„Pacjent zero”

Jest koniec 2019 roku, miasto Wuhan w środkowych Chinach. Pierwszy, 55-letni pacjent choruje na ciężkie zapalenie płuc o nieznanej etiologii. Potem następny i kolejny. Świat obiega informacja, że grozi nam globalna pandemia. WHO alarmuje. Rządy wszystkich krajów podejmują radykalne decyzje, by chronić swoich obywateli. We Włoszech rozgrywają się dantejskie sceny, ale pierwsza fala epidemii w Polsce jest na szczęście łagodna. Swoje żniwa wirus zbiera tu dopiero jesienią 2020 roku. 

Podczas gdy świat liczy każdy stwierdzony przypadek koronawirusa (np.: do 11 listopada 2020 roku zachorowało 51 865 619 osób, zmarło 1 280 592), naukowcy nie poddają się i badają jego strukturę oraz właściwości. 

Jako ludzkość dokonaliśmy rzeczy nieprawdopodobnych w najkrótszym dotychczas czasie w historii. 

Czy będzie zbiorowa Nagroda Nobla za ustalenie struktury proteiny-S SARS-CoV-2?

Największym przełomem w badaniach był rekordowo szybki czas, w jakim wirusolodzy zaczęli dysponować pełną strukturą charakterystycznej proteiny-S nowego wirusa. Po pierwszej epidemii SARS-CoV-1 podobne materiały były dostępne po… trzech latach. Teraz czasopisma medyczne opublikowały za darmo (co się wcześniej nie zdarzało) informacje po niespełna miesiącu. Każda osoba na świecie może z nich korzystać. 

Choć wciąż są osoby, które nie wierzą w pojawienie się nowego wirusa, naukowcy mają dowody na jego istnienie: RNA, swoiste objawy u pacjentów i jego zdjęcia wykonane mikroskopami elektronowymi (Transmission electron microscopy, TEM). Całą tę wiedzę uzyskali w niespełna miesiąc od wybuchu epidemii. Udało się to dlatego, że do badań nad wirusem włączyli się ludzie ze wszystkich kontynentów. Powstał wręcz globalny ruch. To nie tylko opanowanie procesu krystalizacji (o nim szczegółowo piszemy poniżej), ale też miliony ludzi na świecie, które udostępniały swoje komputery (czyli logowały się na stronę, dzięki której dodawały GB do obliczeń). Tak powstał wspólny światowy komputer, który z ogromną mocą liczył, jak wygląda struktura proteiny-S SARS-CoV-2 (czyli tej proteiny, której koronawirus zawdzięcza swoją nazwę, ponieważ przypomina kolce). Ta proteina może być zbudowana nawet z 1000 aminokwasów. W jaki sposób one się układają? Jak tworzą strukturę? Już to wiemy!

To jest kosmos! Osiągnięcie o randze Nagrody Nobla. W SARS-CoV-2 proteiny są membranowe, nie są w środku komórki, nie jest więc tak łatwo je skrystalizować. To majstersztyk – mówi dr Jan Żak.

Doktor Jan Żak z wykształcenia jest biofizykiem, lekarzem, który tłumaczy meandry testowania koronawirusa. Jest ekspertem nauk podstawowych, absolwentem nauk biomedycznych Uniwersytetu w Guelph oraz biofizyki Uniwersytetu w Toronto (Princess Margaret Cancer Center). Obecnie pracuje z prof. Mariuszem Zimmerem w II Katedrze Ginekologii i Położnictwa w Uniwersyteckim Szpitalu Klinicznym przy ul. Borowskiej we Wrocławiu.  

(Ciekawostka: Istnieją wirusy, które mają DNA, jak np. wirusowe zapalenie wątroby typu B, ale np. wirusowe zapalenie typu C, tak jak HIV i koronawirus, ma genom składający się z RNA)

Zrozumieć geniusz naukowców

Zacznijmy od podstaw. Proteiny są zbudowane z łańcucha aminokwasów. Różne proteiny mają rozmaite domeny, które pełnią wielorakie funkcje. Dla biologów kluczowe jest więc poznanie ich struktury. 

90% protein, których strukturę ludzkość poznała, są to tzw. cytosolic, czyli proteiny, które znajdują się w środku komórki, w jej płynie. Te mikroskopijne proteiny dają się prosto namnażać (amplifikować) i łatwo z nich stworzyć skoncentrowany roztwór. Po odparowaniu oraz przy odrobinie szczęścia nasza proteina może utworzyć mały kryształ. Posługując się tą samą metodą, której James Watson, Francis Crick oraz Rosalind Franklin użyli do odkrycia struktury DNA, można też ustalić strukturę skrystalizowanej proteiny. 

To jednak nie dotyczy koronawirusa. W przypadku SARS-CoV-2 proteina nie znajduje się w środku komórki, ale w jej membranie, na zewnątrz. Nie możemy więc stworzyć roztworu przypominającego rosół, który umożliwia łatwiejszą krystalizację. Tu proteiny mają dodatkowo pierścieniowe lipidy i membrany. W momencie wypłukania protein z membrany właściwie od razu dochodzi do denaturacji.

Do krystalizacji protein membranowych używa się syntetycznych, stabilizujących lipidów (przykładowa nazwa takich lipidów: Triton-X-100). Lipidy krystalizują się wraz z proteinami. Tworzą surrealistyczne struktury przypominające chaotyczne formy geometryczne.

Proteiny mają różne kształty: pętelki, serpentyny, paski, kulki. Mają też swoje domeny. Jednak w wyniku denaturacji tracą strukturę. Znamy więc tylko sekwencję ich aminokwasów. Kunszt polega na tym, by proteina się krystalizowała bez utraty swojej struktury. Dlatego mówi się, że to już nie jest nauka, ale wręcz ekstremalnie wymagająca sztuka. 

Wykorzystuje się do tego metodę X-ray krystalografii. To ta sama metoda, która w XX wieku została wykorzystana do odkrycia struktury DNA. Teraz w analogiczny sposób zidentyfikowano strukturę proteiny-S. 

I choć nadal wydaje się to łatwe, to warto dodać, że istnieją proteiny, które przez 10 lat próbujemy wykrystalizować i to się nie udaje. Przez to, że jest to tak skomplikowany proces, niektóre proteiny nigdy nie stworzą kryształu, a tym bardziej te membranowe.  

Na naszych oczach dzieje się coś niewyobrażalnego – gdy ludzkość jednoczy siły, może dokonywać rzeczy, które kiedyś wydawały się wręcz nieosiągalne w tak krótkim czasie. 

Dzięki temu, że znamy strukturę proteiny-S, wiemy z jakimi receptorami się łączy oraz jakie off-label substancje mogą leczyć COVID-19. Ta wiedza pozwala na zaprojektowanie leczenia i opracowanie szczepionki. A przede wszystkim możemy projektować primery, które wykrywają RNA wirusa. 

Nasza misja

Testując, szybciej pokonamy wirusa

Ciekawostka: dlaczego mydło i alkohol są groźne dla koronawirusa?

Zarówno komórka, jak i wirus mają membranę. Membrana oddziela wnętrze komórki od zewnątrz. To właśnie dzięki membranie komórka może kontrolować poziomy jonów oraz substancje, które do niej wchodzą i z niej wychodzą. W przypadku wirusa jest to jeden z mechanizmów ochrony genomu. 


Koronawirus ma membranę lipidową (czyli złożoną z tłuszczów). Mydło i alkohol łatwo rozpuszczają taką membranę i powodują, że dochodzi do denaturacji protein wirusa oraz rozłączenia się jego RNA z chroniącą go nukleoproteiną (proteiną-N).

Sprytny wirus z koroną

Wirus udaje małą komórkę. Przypomina lipidowy bąbelek, który łączy się z komórkami posiadającymi receptor ACE2 na swojej membranie. Trzeba przyznać, że robi to znakomicie. Zauważmy, że nie tworzy silnej reakcji immunologicznej we wczesnej fazie infekcji. A to oznacza, że nasze organizmy nie traktują wirusa jako wirusa. Reakcja interferonowa, czyli reakcja antywirusowa, w tym przypadku jest znacznie mniejsza w porównaniu z SARS-CoV-1 z 2003 roku. Za to w kolejnym stadium choroby często powstaje bardzo silna reakcja, tzw. burza cytokinowa, która bezpośrednio zagraża życiu pacjenta. 

Co wiemy o koronawirusie? Objawy.

Wirus SARS-CoV-2 należy do grupy koronawirusów. Wywołuje chorobę układu oddechowego COVID-19. Przenosi się drogą kropelkową. U około 13% populacji wywołuje ciężkie zapalenie płuc i ARDS. 

 

Objawy: 

  • Gorączka 87,9%
  • Suchy kaszel 67,7%
  • Zmęczenie 38,1%
  • Duszność 18%
  • Utrata węchu i smaku (całkowita lub wybiórcza, na szczęście odwracalna, wynika z tego, że wirus najpierw atakuje komórki podporowe, które są częścią nabłonka węchowego)

 

Rzadziej występujące objawy to: katar, ból głowy, ból gardła, odkrztuszanie flegmy, bóle mięśni i stawów, dreszcze, nudności i/lub wymioty, rozwolnienie.

 

W ciężkich przypadkach: wysoka gorączka, odkrztuszanie krwi, zmniejszona ilość leukocytów, niewydolność nerek.



Niemal 90% osób przechodzi koronawirusa bezobjawowo lub skąpoobjawowo, ale zaraża innych. Skąd wiemy, że jesteśmy chorzy na koronawirusa, a nie na grypę?

 

Jak sprawdzić, czy jesteśmy chorzy na koronawirusa? Jaki wybrać test? Który rodzaj testów jest skuteczny? 

 

Niniejsze opracowanie ma na celu usystematyzowanie wiedzy o testach na koronawirusa. Jest to wiedza zaawansowana, ale pomocna w zrozumieniu specyfiki testowania.

Wkrótce opublikujemy dodatkowe materiały szkoleniowe. Dowiesz się z nich?

• Jak zbudowany jest koronawirus? 
• Jakie informacje o wirusie były najważniejsze dla naukowców?
• Jaka jest różnica pomiędzy istniejącymi testami wykrywającego koronawirusa?
•  Uzbroisz się w potrzebną wiedzę, która pomoże Ci odróżnić fakty od pseudo-faktów.

 

Wierzymy, że testowanie pomoże nam szybciej uporać się z pandemią, ale ważnym orężem – oprócz dystansu i dezynfekcji – jest również wiedza, i to wiedza ze sprawdzonych źródeł.