อุณหภูมิในร่างกายของมนุษย์

“ไม่มีการศึกษาก่อนหน้านี้ที่ตรวจสอบเอนไซม์โคโรนาไวรัสที่สำคัญนี้ที่อุณหภูมิทางสรีรวิทยา (หรือร่างกาย)” แดเนียล คีดี้ นักชีววิทยาโครงสร้างแห่งมหาวิทยาลัยซิตี้แห่งนิวยอร์ก (CUNY) ผู้ดำเนินการศึกษาร่วมกับนักวิทยาศาสตร์จากกระทรวงสหรัฐฯ กล่าว ของห้องปฏิบัติการแห่งชาติ Brookhaven ของ Energy โครงสร้างส่วนใหญ่ในปัจจุบันมาจากตัวอย่างที่แช่แข็ง ซึ่งห่างไกลจากอุณหภูมิที่โมเลกุลทำงานภายในเซลล์ของสิ่งมีชีวิต “ถ้าคุณทำงานที่อุณหภูมิทางสรีรวิทยา คุณควรได้ภาพที่สมจริงมากขึ้นว่าเกิดอะไรขึ้นระหว่างการติดเชื้อจริง เพราะนั่นคือสิ่งที่ชีววิทยาเกิดขึ้น” Keedy กล่าว นอกจากนี้เขายังเสริมว่าทีมใช้อุณหภูมิเป็นเครื่องมือ "เมื่อหมุนปุ่มนั้นและดูว่าโปรตีนมีปฏิกิริยาอย่างไร เราสามารถเรียนรู้เกี่ยวกับกลไกของมัน -- วิธีการทำงานของมัน ถอดรหัสโครงสร้างของ Mpro โปรตีนที่เป็นปัญหาคือโปรตีเอสหลัก (Mpro) ของ SARS-CoV-2 ซึ่งเป็นไวรัสที่ทำให้เกิด COVID-19 เช่นเดียวกับโปรตีเอสทั้งหมด มันเป็นเอนไซม์ที่ตัดโปรตีนอื่นๆ ในการติดเชื้อไวรัสหลายชนิด ซึ่งรวมถึง COVID-19 นั้น เซลล์ที่ติดเชื้อจะผลิตโปรตีนที่ทำหน้าที่ได้ของไวรัสเป็นสายโซ่โปรตีนเดียวที่เชื่อมต่อกัน โปรตีเอสจะแยกชิ้นส่วนออกจากกันเพื่อให้โปรตีนแต่ละชนิดสามารถสร้างและรวมตัวกันเป็นสำเนาใหม่ของไวรัสได้ การค้นหายาเพื่อปิดการใช้งาน Mpro อาจทำให้ COVID-19 หยุดชะงัก ในการศึกษาโครงสร้างของเอนไซม์ นักวิจัยได้ใช้เทคนิคที่เรียกว่า x-ray crystallography ที่ National Synchrotron Light Source II (NSLS-II) ของ Brookhaven Lab NSLS-II เป็นสิ่งอำนวยความสะดวกสำหรับผู้ใช้ Office of Science ของ DOE ที่ผลิตลำแสงรังสีเอกซ์ที่สว่างสดใส การส่องรังสีเอกซ์เหล่านั้นบนตัวอย่างที่ตกผลึกของโมเลกุลทางชีวภาพสามารถเปิดเผยการจัดเรียงสามมิติของอะตอมที่ประกอบกันเป็นโมเลกุลได้ การศึกษาตัวอย่างที่ไม่ผ่านการแช่แข็งอาจเป็นเรื่องที่ท้าทาย "ยิ่ง อุณหภูมิ สูงขึ้น โอกาสที่รังสีเอกซ์จะสร้างความเสียหายให้กับคริสตัลก็จะยิ่งมีมากขึ้น" Babak Andi ผู้ร่วมวิจัยซึ่งเป็นผู้ดำเนินการลำแสง Frontier Macromolecular Crystallography (FMX) ของ NSLS-II อธิบาย "เพื่อลดความเสียหาย เราหมุนและเคลื่อนคริสตัลเป็นเส้นตรงขณะที่เคลื่อนผ่านรังสีเอกซ์ ซึ่งกระจายปริมาณรังสีเอกซ์ไปตลอดความยาวของคริสตัล" เขากล่าว เขาตั้งข้อสังเกตว่าลำแสงเอ็กซเรย์ขนาดเล็กที่ NSLS-II ช่วยให้ลำแสงโฟกัสไปที่ขนาดที่เล็กที่สุดของคริสตัลได้ ซึ่งก็คือขอบที่มีขนาด 10 ถึง 20 ในล้านของเมตรหรือเล็กกว่านั้น หมุน "นอกจากนี้ เครื่องตรวจจับ FMX และระบบอื่นๆ ยังทำงานเร็วมาก เราสามารถรวบรวมชุดข้อมูลทั้งหมดหนึ่งชุดได้ในเวลาเพียง 10-15 วินาทีต่อตัวอย่าง โดยมีคุณภาพที่ดีพอที่จะแก้ไขโครงสร้างก่อนที่จะเกิดความเสียหายจากรังสีเอ็กซเรย์อย่างมีนัยสำคัญ" ตั้งแต่แช่แข็งจนถึงสรีรวิทยา นักวิทยาศาสตร์ใช้ FMX เพื่อรวบรวมข้อมูลผลึกศาสตร์ Mpro ชุดแรกที่อุณหภูมิต่างกัน 5 อุณหภูมิ ตั้งแต่การแช่แข็ง (-280 องศาฟาเรนไฮต์) ไปจนถึงสิ่งที่มักเรียกกันว่า "อุณหภูมิห้อง" ในการถ่ายภาพผลึกด้วยรังสีเอกซ์ (~39°F ) ถึงสรีรวิทยา (98°F) พวกเขายังศึกษาผลึกที่อุณหภูมิห้องภายใต้ความชื้นสูง จากนั้นพวกเขาก็ป้อนข้อมูลลงในแบบจำลองคอมพิวเตอร์ชนิดพิเศษเพื่อระบุการจัดเรียงระดับอะตอมที่เป็นไปได้ภายใต้เงื่อนไขแต่ละชุด ผลลัพธ์เผยให้เห็นการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างเล็กน้อย รวมถึงความยืดหยุ่นที่เพิ่มขึ้นในส่วนของโปรตีนที่อุณหภูมิสูงขึ้น ทีมงานยังเห็นคุณสมบัติบางอย่างที่เป็นเอกลักษณ์ของเอนไซม์ภายใต้สภาวะทางสรีรวิทยา การเปลี่ยนแปลงส่วนใหญ่ไม่ได้อยู่ใน "แอคทีฟไซต์" ของเอนไซม์โดยตรง ซึ่งเป็นส่วนที่เกี่ยวข้องโดยตรงกับการตัดโปรตีนอื่นๆ พวกมันอยู่ในส่วนต่าง ๆ ของเอนไซม์ที่ห่างไกลจากตำแหน่งนั้นมากกว่า แต่ข้อมูลชี้ให้เห็นว่าไซต์ที่อยู่ห่างไกลเหล่านี้อาจส่งผลกระทบต่อไซต์ที่ใช้งานอยู่ผ่านกลไกการควบคุมระยะไกลซึ่งพบได้ทั่วไปในระบบชีวภาพ Keedy กล่าว การปิดใช้งานแม้แต่ตำแหน่งที่อยู่ห่างไกลก็อาจขัดขวางการทำงานของเอนไซม์ได้ Keedy กล่าวว่า "คุณอาจคิดว่า Mpro เป็นริบบิ้นพับชนิดหนึ่งที่ประกอบด้วยสองส่วนที่เหมือนกัน (รูปตัวหรี่) ที่ผูกเข้าด้วยกันในลักษณะที่สมมาตร ศูนย์กลางของส่วนการจับมือนี้ ("ส่วนต่อประสานไดเมอร์") เชื่อมโยงไปยังไซต์ที่ใช้งานผ่านส่วนลูปที่ยืดหยุ่นของโปรตีน ตามที่ Keedy อธิบาย นักวิทยาศาสตร์พบว่าที่อุณหภูมิสูงขึ้น "การจับมือของ 'การจับมือ' จะเปลี่ยนไป ส่วนประกอบทั้งสองจะปรับการยึดเกาะใหม่เล็กน้อย สิ่งนี้บอกเราว่า เมื่อไวรัสแพร่เชื้อสู่เรา อาจมีเชื้อบางชนิด ของการสื่อสารผ่านลูปนี้ระหว่างอินเทอร์เฟซ dimer และไซต์ที่ใช้งานอยู่" Keedy กล่าว เส้นทางสู่การออกแบบยา "เราเห็นการเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยในโครงสร้างในการศึกษานี้ แต่การออกแบบยาขึ้นอยู่กับการเปลี่ยนแปลงเล็กน้อย - น้อยกว่าหนึ่งในพันล้านเมตรที่นี่ น้อยกว่าหนึ่งในพันล้านเมตรที่นั่น" Keedy กล่าว การศึกษาอื่น ๆ แสดงให้เห็นว่าโมเลกุลคล้ายยาขนาดเล็กสามารถจับกับเอนไซม์ได้ในตำแหน่งที่ห่างไกลซึ่งระบุไว้ในงานใหม่นี้ "ถ้าเราสามารถทำให้โมเลกุลเหล่านี้สมบูรณ์แบบ ปรับให้เหมาะสม ปรับแต่งมันอย่างละเอียด ปรับแต่งมัน เราก็อาจมีฐานใหม่สำหรับการเปลี่ยนแปลงการทำงานของเอนไซม์ ไม่ใช่ที่ไซต์ที่ทำงานอยู่ เช่นเดียวกับที่ต้านไวรัสทั้งหมดสำหรับโปรตีนนี้ กำลังกำหนดเป้าหมาย แต่ที่ไซต์อื่นผ่านกลไกอื่น" Keedy กล่าว "การค้นพบของเราเป็นแรงบันดาลใจในการสำรวจแนวคิดนี้"