Szczepionki Pfizera i Moderny są triumfem technologii, testowania leków i dystrybucji. Dla mnie jednak najbardziej niezwykłą rzeczą jest to, jak zostały zaprojektowane. W odróżnieniu od większości szczepionek, które opierają się na albo osłabionych, albo zabitych wirusach i bakteriach, te szczepionki używają samego, nagiego materiału genetycznego - konkretnie, informacyjnego RNA (mRNA). Wirusowy mRNA służy normalnie do tworzenia kolejnych wirusów przez użycie wytwarzającej białka maszynerii gospodarza, a genom wirusa koduje najbardziej niebezpieczną (i wrażliwą) część wirusa: jego białko fuzyjne – białko spike. To białko, którego wypustki są na całym wirusie, rozpoznaje i związuje się z komórką gospodarza – czyli z naszymi komórkami. Pozwala to wirusowi na wstrzyknięcie całego swojego genomu do naszych komórek i na zarekwirowanie naszego procesu metabolicznego, by wytworzyć więcej wirusów, które wybuchają z komórki i zaczynają raz jeszcze cały cykl.
Białko spike jest niebezpieczną częścią wirusa; bez niego wirus jest nieszkodliwy. Gdybyśmy w jakiś sposób mogli nauczyć nasz układ odpornościowy, by rozpoznawał białko spike, układ odpornościowy mógłby wtedy przywiązać białko i zniszczyć wirusa zanim zacznie reprodukować się w naszych komórkach. I to właśnie robią szczepionki Pfizera i Moderny.
Szczepionka nie ma samego białka spike, ale sztucznie zsyntetyzowane instrukcje do wytwarzania białka spike. Te instrukcje, zakodowane w mRNA, są upakowane z lipidowych nanocząstkach i wstrzykuje się je w nasze ramiona. mRNA, skonstruowany tak, by uniknąć wielu mechanizmów obronnych naszego organizmu przeciwko obcemu materiałowi genetycznemu, wnika do naszych komórek i instruuje nasz mechanizm syntetyzowania białek, by wytworzył wiele kopii samego białka spike. Ponieważ te kopie nie są doczepione do wirusa, nie są niebezpieczne, ale przygotowują układ odpornościowy do niszczenia każdego, atakującego później wirusa, przez celowanie w białko spike na jego powierzchni.
Tak więc szczepionka używa naszych organizmów na kilka sposobów: do wytwarzania kopii samego białka spike, a potem do skłaniania naszego układu odpornościowego, by je rozpoznawał, o czym ciało „pamięta” przez składowanie instrukcji do produkowania przeciwciał wobec prawdziwych, wirusowych białek spike. Częścią tej historii, która mnie zachwyca, są lata badań genetycznych, jakie były potrzebne do osiągnięcia umiejętności zaprojektowania dającego się wstrzyknąć mRNA, badań, których celem nie była pomoc w stworzeniu szczepionek, ale po prostu zrozumienie, jak materiał genetyczny wytwarza białka.
Możecie przeczytać dość długie ale fascynujące sprawozdanie z tego, jak stworzono szczepionkę mRNA, otworzywszy poniżej link do strony internetowej speca nauki i inżyniera, Berta Huberta (kliknij na link pod zrzutem z ekranu). Hubert nie wdaje się w szczegóły o upakowywaniu modyfikowanego mRNA do cząstek lipidów, co jest osobną opowieścią, ale jest tam bardzo dużo informacji. Na końcu podam link do opowieści o tym, jak szybko wytworzono tę szczepionkę – w mniej niż tydzień zarówno dla zsekwencjonowania RNA wirusa, włącznie z białkiem spike oraz użycia tej sekwencji do zaprojektowania szczepionki opartej na białku spike.
Zanim Chiny w ogóle przyznały, że zakażenie wirusowe istnieje, jest niebezpieczne i szerzy się, Yong-Zhen Zhang, profesor z Szanghaju, już zsekwencjonował jego RNA (inaczej niż u nas, genetycznym materiałem wirusa jest RNA, nie zaś DNA), a następnie umieścił jego sekwencję na publicznej stronie internetowej (w Chinach jest to niebezpieczne działanie). Wirusowa sekwencja ma około 29 tysięcy zasad (cztery “zasady”: G, A, C i U, są składnikami RNA) i wytwarza 6-10 białek włącznie z białkiem spike.
W ciągu dwóch dni od opublikowania sekwencji, badacze już znali sekwencję kodującą białko spike (to było znane z poprzednich prac nad koronawirusami), a następnie przez majsterkowanie przy niej, stworzyli mRNA, który mógł służyć jako podstawa szczepionki.
mRNA użyty w szczepionce Pfizera ma 4282 zasad (jeśli pamiętasz lekcje biologii, każde trzy zasady kodują jeden aminokwas, a łańcuch aminokwasów jest znany jako białko). Szczepionka mRNA robi jednak dużo więcej niż tylko kodowanie białka. Tutaj jest pierwszych 500 baz mRNA Pfizera, jak podaje Bert Hubert, a poniżej można zobaczyć diagram całego mRNA użytego w szczepionce:
Jeśli pamiętasz genetykę, ta sekwencja wygląda dziwnie, ponieważ sekwencje mRNA normalnie zawierają zasady A, G, C i U (uracyl). Gdzie są U? W tej szczepionce U zostały zmodyfikowane w nieco inną zasadę oznaczaną Ψ (psi), co reprezentuje 1-methyl-3′-pseudouridylyl. Podam za chwilę powód, dla którego to zrobili.
To, co widzicie powyżej, stanowi jednak mniej niż jedną ósmą całego mRNA użytego w szczepionce. Nie podam całej sekwencji, bo nie jest tutaj ważna, ale struktura mRNA jest ważna. Trzeba pamiętać, że to stworzyli ludzie używając wiedzy, jaką nabyli wcześniej. Następnie wprowadzili tę sekwencje do “drukarki DNA”, która potrafi produkować DNA, który zamienia się w wirusopodobny RNA. Czy nie jest to wspaniałe? Tutaj jest zdjęcie drukarki Codex DNA BioXp3200 DNA użytej do stworzenia DNA odpowiadającego RNA szczepionki (zdjęcie ze strony Huberta):
Jak widzicie, jest to skomplikowane. Podstawą jest “S protein__mut”, który jest stworzonym kodem na białko spike. Cała reszta jest jednak potrzebna, by ten kawałek dostał się do komórki bez zniszczenia go przez organizm, aby komórka zaczęła wytwarzać wiele białka spike, które ma działać jako bodziec (antygen) dla naszego układu odpornościowego i aby białko spike było wytwarzane szybko i w dużych ilościach. Im więcej niewinnego białka spike możemy otrzymać w naszym ciele, tym silniejsza będzie reakcja odpornościowa, kiedy wirus zaatakuje. Każdy odcinek mRNA pokazany na diagramie powyżej, został skonstruowany, by zoptymalizować szczepionkę. Zajmę się nimi po kolei:
Cap: Podkreślona na diagramie powyżej, jest to dwu nukleotydowa sekwencja (GA), która mówi komórce, że mRNA pochodzi z jądra, gdzie jest normalnie wytwarzana jako transkrypt z naszego DNA. Te zasady chronią zmodyfikowany RNA przed atakami i zniszczeniem przez nasz organizm, bo powodują, że wygląda jak „normalny” RNA.
5’-UTR [Rejon 5′ niepodlegający translacji]: Ten odcinek o 51 zasadach nie tworzy białka spike, ale jest niezbędny w pomocy mRNA przyczepienia się do małych kompleksów białek o nazwie rybosomy, gdzie zamienia się w białka – trójzasadowy ”kodon” za trójzasadowym „kodonem” – z pomocą mniejszych cząsteczek nazywanych „transportującymi RNA” (tRNA). Bez 5′-UTR nie zostałoby wytworzone białko. Poza pomocą w dostarczeniu modyfikowanego mRNA do rybosomów, ten region został dalej zmodyfikowany. Po pierwsze, U zmieniono w Ψ, co powstrzymuje układ odpornościowy przed atakowaniem mRNA bez szkodzenia jego zdolności przyczepiania się do rybosomów i tworzenia białka. W tym celu naukowcy użyli sekwencji z UTR naszego genu alfa-globiny, ponieważ ten region produkuje dużo białka. (Alfa-globina jest połową naszych cząsteczek hemoglobin, jednego z najliczniejszych i najszybciej produkowanych białek w organizmie.)
sig [S peptyd sygnalizujący glikoproteinę]. Ten liczący 48 zasad odcinek, który staje się częścią białka, jest kluczowy w informowaniu komórki dokąd posłać białko po jego wytworzeniu. W tym wypadku mówi, że ma opuścić komórkę przez “siateczkę śródplazmatyczną”, sieć małych kanalików obejmująca całą komórkę. Także ten krótki odcinek został zmodyfikowany przez projektantów szczepionki, którzy zmienili 13 z jego 48 zasad. Dlaczego to zrobili? No cóż, zmienili zasady, które nie robią różnicy w sekwencji białka (są to zazwyczaj zasady na trzeciej pozycji, których natura nie jest ważna w sekwencji białka). Te zasady jednak wpływają na szybkość, z jaką wytwarzane są białka. Hubert nie wyjaśnia, dlaczego to się dzieje, ale podejrzewam, że zmiany były zaprojektowane tak, by pasować do częściej występujących cząsteczek transportowego RNA (tRNA), które są małymi odcinkami RNA przyczepiającymi się do aminokwasów w cytoplazmie, a następnie przenoszą je do mRNA, gdzie są zestawiane w białka. Choć jest 64 trójzasadowych sekwencji (4³), istnieje tylko 20 aminokwasów, które normalnie wchodzą do białka. To znaczy, że niektóre tRNA kodują te same aminokwasy. Ponieważ te “nadmiarowe” tRNA nie są obecne w równych ilościach w komórce, można szybciej stworzyć białko, jeśli zaprojektujesz sekwencję mRNA, która pasuje do najczęściej występujących tRNA. Zgaduję, że o to chodzi w tych 13 zmianach.
S protein__mut [białko spike]. To jest „serce” mRNA, zawierające 3777 zasad, które kodują białko spike. Także ten kod naukowcy “optymalizowali” przez zmianę „nadmiarowych” zasad, by pozwolić na szybsze wytwarzanie białka. Ψ już na tym etapie nie ma, bo nie są już potrzebne do unikania działań obronnych organizmu. Jest tam jednak jeden kawałek, który zastanawiał mnie, dopóki nie przeczytałem wyjaśnienia Huberta. Białko spike wytwarzane przez organizm po zaszczepieniu różni się od wirusowego białka tylko dwoma z 1259 aminokwasów. Zmodyfikowana sekwencja zamienia dwa różne aminokwasy – proliny – na aminokwasy w wirusowych wypustkach (spikes). Dlaczego? Ponieważ wiadomo z poprzednich prac, że te proliny powstrzymują białko spike przed składaniem się, więc zachowuje ten sam kształt jak w rodzimym wirusie. Składające się białko spike może wywołać produkcję przeciwciał, ale nie ruszą one z równą gotowością przeciwko białku spike samego wirusa, bo ma inny kształt. To jest tylko jeden z wielu elementów wcześniejszej wiedzy, który odegrał rolę w stworzeniu szczepionki.
3′-UTR [Rejon 3′ niepodlegający translacji]: mRNA ma je, ale nie jesteśmy całkiem pewni, co one robią, poza tym, jak mówi Hubert, że ten region “z wielkim powodzeniem promuje ekspresję białka”. Jak dotąd nie jest jasne, jak to się dzieje. Także ten odcinek został zmodyfikowany przez twórców szczepionki, by uczynić mRNA bardziej stabilnym i wzmocnić ekspresję białka.
poly(A) [poliadenylacja]. To jest licząca 140 zasad końcówka cząsteczki. Wszystkie mRNA inicjujące syntezę białek zawierają powtórzenie zasady adeniny na końcu (3′), a więc mamy sekwencję AAAAAAAAAAAAA. . . Okazuje się, że te A zużywają się, kiedy cząsteczka mRNA tworzy białko za białkiem (są jak telomery, które skracają się z wiekiem!) Kiedy wszystkie A zostają zużyte, mRNA jest bezużyteczne i wypada z rybosomu. Także tutaj wcześniej zdobyta wiedza powiedziała naukowcom ile A włożyć w końcową sekwencję. Wiadomo, że około 120 A daje najlepsze rezultaty, jeśli chodzi o produkcję białek; projektanci szczepionki użyli 100 A rozdzielonych 10-zasadową sekwencją „łącznikową”. Hubert nie wyjaśnia łącznika, a ja nie wiem, dlaczego tam jest.
Niemniej możecie zobaczyć złożoność tej szczepionki, której wzór opiera się na dokładnej znajomości sekwencji białka spike (niedawne mutacje sekwencji nie wydają się wpływać na skuteczność szczepionki, bo prawdopodobnie nie dotyczą jego kształtu), jak również na wcześniejszych badaniach o rzeczach takich jak zasady Ψ, które pomagają uniknąć zniszczenia mRNA, optymalna sekwencja do wysokiej produkcji białka, liczba A na końcu, która jest najbardziej wydajna i te dwa prolinowe zastępstwa w białku spike szczepionki. To wszystko jest cudowne, jest to połączenie nowego i starego, i świadectwo wartości badań podstawowych, które czasami mogą się niesłychanie przydać.
Ta wcześniejsza wiedza w połączeniu z szybkim sekwencjonowaniem RNA i powstaniem maszyn do zamiany kodu w RNA, pomaga wyjaśnić, dlaczego szczepionka powstała tak szybko. Oczywiście, musiała zostać także przetestowana i dystrybuowana, a ten artykuł w “Guardianie” mówi o dziesięciu dodatkowych przyczynach, dla których zabrało zaledwie dziesięć miesięcy od początku pandemii do użytecznej szczepionki.
Na koniec nieco historii nauki opowiedzianej przez “Zeynepa” w Substack, który pokazuje, dodatkowe powody, dla których szczepionka powstała tak szybko (kliknij na zrzut z ekranu). Jest to głównie o Yong-Zhen Zhangu, chińskim naukowcu, który opublikował kod genetyczny wirusa Covid-19. Zeynep uważa go za bohatera, który ryzykował publikując go. Jasne jest, że bez tego kodu (i, oczywiście, sekwencjonowania DNA i RNA, robionego od długiego czasu – kolejna korzyść badań podstawowych) nie bylibyśmy nawet blisko sytuacji, w jakiej jesteśmy w walce z pandemią.
Kiedy pomyślimy o tym i zdamy sobie sprawę z tego, że tylko jeden gatunek ma zarówno umysły, jak środki do stworzenia szczepionki do walki z wyniszczającym wirusem, a potem pomyślimy o wielu naukowcach, których praca przyczyniła się do stworzenia tych szczepionek, możemy być dumni z ludzkości – i ludzkiej nauki. Tak, cały czas coś źle nam wychodzi i jesteśmy ksenofobiczni i egoistyczni, ale tym razem przezwyciężyliśmy to wszystko i użyliśmy tego, co w nas najlepsze, by pomóc nam wszystkim.
Podziękowania dla Berta Huberta za pomoc w zrozumieniu złożoności tych szczepionek.
The mRNA coronavirus vaccine: a testament to human ingenuity and the power of science
Why Evolution Is True, 27 grudnia 2020
Tłumaczenie: Małgorzata Koraszewska
Jerry A. Coyne
Emerytowany profesor na wydziale ekologii i ewolucji University of Chicago, jego książka "Why Evolution is True" (Polskie wydanie: "Ewolucja jest faktem", Prószyński i Ska, 2009r.) została przełożona na kilkanaście języków, a przez Richarda Dawkinsa jest oceniana jako najlepsza książka o ewolucji. Jerry Coyne jest jednym z najlepszych na świecie specjalistów od specjacji, rozdzielania się gatunków. Jest również jednym ze znanych "nowych ateistów" i autorem książki "Faith vs Fakt". (Jest już polskie wydanie - "Wiara vs Fakty", wydawnictwo "Stapis".) Jerry Coyne jest wielkim miłośnikiem kotów i osobistym przyjacielem redaktor naczelnej.
