Hücre Zarı, COVID-19 hastalığından sorumlu yeni koronavirüse karşı savunma hattını oluşturuyor
Hücre zarı, hücrenin COVID-19 hastalığından sorumlu yeni koronavirüs olan SARS-CoV-2’ye karşı en dış savunma hattıdır.
Hücre zarları sadece birkaç nanometre kalınlığındadır ancak yaşam için gereklidir. Hücrenin içi ile çevresindeki çevre arasında bir bariyer görevi görürler ve hücre işlevi için gerekli birçok aktiviteyi barındırırlar.
Virginia Tech ve Enerji Bakanlığı’nın (DOE) Oak Ridge Ulusal Laboratuvarı’ndan (ORNL) araştırmacılar, hücre zarının ve virüsün birbirini nasıl etkilediğini ve hangi terapötik adayların hücre zarlarını viral girişe daha dirençli hale getirebileceğini araştırmak için nötron saçılımını kullanıyor.
Bu tür bilgiler, uzmanların viral enfeksiyonun ilerlemesini yavaşlatmak ve zararlı etkilerini azaltmak için stratejiler tasarlamasına yardımcı olabilir.
ORNL’de biyofizikçi ve nötron saçılımı yapan bilim insanı John Katsaras, “Viral enfeksiyon sürecine müdahale eden tedaviler geliştirmek, COVID-19 hastalığının şiddetini azaltmaya ve insanların daha hızlı iyileşmesine yardımcı olabilir” dedi. Bu da hastaneye yatışların sayısını azaltabilir ve çok büyük tıbbi tesislerin riskini azaltabilir.
Membran odaklı misyon
Koronavirüs, kendi zar katmanından çıkıntı yapan başak proteinlerin yardımıyla insan hücrelerini ele geçirerek virüse taç benzeri bir görünüm kazandırır. Başak proteini hücre yüzeyine yapışır ve viral ve hücresel zarların birleşmesine yardımcı olur. Zarlar kaynaştıktan sonra, virüs hücreye girebilir ve kendisinin kopyalarını oluşturarak enfeksiyonu vücuda yayabilir.
Bilim adamları, koronavirüsün hücre zarına nasıl girdiğini belirleyerek bu süreci engelleyen tedaviler geliştirebilirler. Pek çok araştırmacı, sivri uçlu proteinleri hedef alarak virüsle savaşmanın yollarını araştırıyor, ancak daha azı enfeksiyon sürecinin başladığı bölgeye, yani hücre zarına dikkat ediyor.
Virginia Tech’de fizik profesörü yardımcı doçenti ve araştırma çabalarına liderlik eden eski ORNL Shull Üyesi Rana Ashkar, “Bir virüsün aktif olması için hücre zarından geçmesi gerekiyor” dedi.
Yapılan işin çoğu, başak proteininin kendisini etkisiz hale getirmeye odaklandı. Ancak, başak proteininin zarla nasıl etkileşime girdiğini ve hangi işlemlerin zarın özelliklerini hedefleyerek bu etkileşimi dolaylı olarak engelleyebileceğini anlamak istiyoruz.
Ashkar ve araştırma grubu, hücre zarı işlevi hakkında fikir edinmek için biyolojik zar modellerinin yapısını ve dinamiklerini inceliyor. COVID-19 yayılmaya başladığında, bilim topluluğunun koronavirüs enfeksiyonunu daha iyi anlamasına yardımcı olmak için laboratuvarının kaynaklarını kullandı.
ORNL’deki araştırmacılarla, viral girişe izin veren membran özelliklerinin moleküler bir anlayışını, virüsle temas halinde membranların nasıl değiştiğini ve hangi membran modifikasyonlarının enfeksiyon sürecini engelleyebileceğini anlamak için işbirliği yaptılar.
Katsaras, “ORNL, biyolojik zarların nanoskopik yapısını analiz etmede uluslararası bir liderlik rolüne sahiptir. Uzmanlığımız, ortak çalışan ağımız ve nötron saçılma yeteneklerimiz sayesinde, araştırma odağımızı hızla koronavirüsün ve diğer bazı bileşiklerin zarları nasıl etkilediğini daha iyi anlamaya doğru yönlendirebildik, “dedi.
Bu proje aynı zamanda laboratuvardaki geniş uzmanlık alanından da yararlandı. ORNL Biosciences Division’da hücresel ve moleküler mantar genetikçisi Jessy Labbé, “ORNL’de fizik, kimya ve biyoloji gibi birçok alandan uzmanlarla çalışabiliyoruz” dedi.
“Kriz başladığında, bu birleşik bilgiyi pandemiyle ilgili en büyük zorluklardan bazılarını ele alan araştırma projeleri geliştirmek için kullandık.”
Nötron görüşü
Ekip, ORNL Spallation Neutron Source’ta (SNS) sıvı reflektometreyi (LIQREF) kullanarak, membranların ve viral spike proteinlerinin konformasyonunu ve belirli terapötik adayların etkilerini inceliyor.
Aletle bilim adamları, nötronların yörüngelerini farklı biyolojik malzemelerle etkileşime girerken ölçebilirler. Daha sonra bu bilgiyi, bir numunenin moleküler düzeyde nasıl organize edildiğini belirlemek için kullanırlar.
ORNL’de doktora sonrası araştırma görevlisi Minh Phan, “Bu tekniği kullanarak, zarın yapısını yakalayabilir ve fizyolojik koşullar altında, bir zar sivri proteinler veya terapötik bileşiklerle temas ettiğinde hangi moleküler ayrıntıların değiştiğini değerlendirebiliriz” dedi.
Ashkar’a göre biyolojik zarların nanoskopik bir profili var, bu da araştırmacıların yapılarını incelemelerini ve nasıl davrandıklarını incelemelerini zorlaştırıyor.
Ancak nötronlar, biyolojik materyalleri, onlara zarar vermeden yüksek çözünürlüklü olarak inceleyebilir. Nötron saçılımı, virüsün ve terapötik adayların nano ölçekte zarlarla nasıl etkileşime girdiğini araştırmak için mevcut birkaç teknikten biri.
Nötronlar da bu çalışma için idealdir çünkü hidrojen ile döteryum gibi izotopları arasında ayrım yapabilirler.
Ashkar, “Membran örneklerindeki hidrojen atomlarını seçici olarak döteryum atomları ile değiştirerek, nötronların olayları ‘görme’ şeklini değiştirme kabiliyetine sahibiz, böylece bazı yönleri büyütebilir ve diğerlerini tamamen gizleyebiliriz,” dedi.
ORNL enstrüman bilimcisi John Ankner, “Örneklerimizdeki hidrojen ve döteryum seviyelerini değiştirdikçe, zarların içindeki farklı özellikleri saptayabiliriz,” diye ekledi.
“Tüm bu ölçümleri derleyerek, bir yapboz bulmacasının parçalarını bir araya getirmek gibi tek bir yapısal model oluşturabiliriz.”
Moleküler bir resim oluşturmak
Araştırmacılar deneylerini, solunum yolu viral enfeksiyonlarının öncelikli olarak yer aldığı insan akciğerlerindeki hücre zarlarının şeklini ve bileşimini yakından yansıtan bir membran modeli ile gerçekleştirdiler.
Örnekler, SNS’nin bilimsel ortağı Mary Odom tarafından hazırlandı. Ekip, LIQREF’i kullanarak önce membranın orijinal yapısını karakterize etti.
COVID-19 semptomlarını hafifletmek için olası tedaviler gibi tıbbi uzmanlar tarafından, Daha sonra her iki maruz kaldığında zarının özellikleri nasıl değiştiğini ölçülen melatonin veya azitromisin halen yaygın olarak bulunabilen ürünler incelenmiştir.
Melatonin, beyin tarafından üretilen doğal bir hormondur ve uyku döngülerinin düzenlenmesinde rol oynar. Sentetik olarak üretilen melatonin takviyeleri öncelikle jet lag ve uyku bozuklukları için kullanılır, ancak aynı zamanda çeşitli enfeksiyonların semptomlarını hafifletmek için de kullanılmıştır.
Azitromisin, bronşit ve pnömoni gibi çok çeşitli enfeksiyonları tedavi etmek için reçete edilen bir antibiyotiktir.
Ashkar, bu ürünlerin membran organizasyonunu nasıl etkilediğini daha fazla incelemek için Virginia Tech’te ek karakterizasyon deneylerine liderlik ediyor.
İlk sonuçlar, zarların melatonin veya azitromisine verildiğinde birbirine daha yakın paketlendiğini göstermektedir. Bu değişiklik, potansiyel olarak, viral başak proteinleri için zar ihlallerini daha zor hale getirebilir.
Ekip, viral başak proteinlerini zar örneklerine dahil edecek ve protein-zar kompleksinin çeşitli faktörlerini analiz edecek.
Bunlar, sivri proteinin zara nasıl bağlandığını, proteinin yerleştirme mekanizmasını ve zarın, sıkıştırma veya sertliğindeki değişiklikler gibi proteine tepkisini içerir. Ekip daha sonra bu etkileşimlerin terapötik adayların varlığında kesintiye uğrayıp uğramadığını inceleyecek.
Nötron saçılım çabaları öncelikle Ankner ve Phan tarafından uygulanmıştır. Ek olarak, ORNL doktora sonrası araştırma görevlisi Jacob Kinnun, iki bileşiğin membran örneklerinin moleküler paketleme ve bağlanma dinamiklerini nasıl etkilediğini keşfetmek için tamamlayıcı deneyler yaptı.
ORNL’nin Nanofaz Malzeme Bilimleri Merkezi’nde araştırma görevlisi olan Pat Collier, zar özellikleri hakkında daha fazla bilgi edinmek için lipit kaplı su damlacıklarıyla oluşturulan zarları inceledi.
Araştırmacılar ileriye dönük olarak, bu yöntemlerin, hem mevcut pandemiyi hem de gelecekte ortaya çıkabilecek diğer viral solunum tehditlerini hafifletmeye yardımcı olmak için çeşitli tedavileri hızlı ve sistematik olarak tarayan bir platform oluşturmak için kullanılabileceğini düşünüyorlar.
Bu çalışma, ORNL Laboratuvarı Yönlendirmeli Araştırma ve Geliştirme programı aracılığıyla destek aldı.