Podrobno o sastavu cjepiva protiv covida-19
Matej Huš: 26. prosinca 2020. u 22:48; Znanost i tehnologija
Zvuči jednostavno, posebno ako prevedemo u računalnički jezik. Cjepivo protiv covida-19 sadrži izvorni kod za dio virusa, i to za protein S, koji strši iz njegove ovojnice. Kad unesemo taj izvorni kod u tijelo, naše stanice proizvode kopije tog proteina. Imuni sustav ga susretne, prepozna kao strano tijelo i pripremi odgovor, čime nas štiti od svih stranaca koji imaju takav protein izložen na površini - trenutno je aktualan SARS-CoV-2. Tako djeluju cjepiva na bazi modRNA (modificirane informacijske mRNK). Danas ćemo pogledati pod haubu, što točno sadrži cjepivo proizvođača Pfizer i BioNTech, kojim će sutra u Sloveniji početi cijepljenje najugroženijih skupina.
Cjepivo sadrži aktivnu tvar, koja je modRNA s odgovarajućim genetskim zapisom, i pomoćne tvari. Prvo pogledajmo potonje. Europska agencija za lijekove (EMA) u odobrenju navodi i popis pomoćnih tvari (stranica 9), koje su voda, saharoza (stolni šećer), natrij klorid (kuhinjska sol), natrij hidrogenfosfat dihidrat (Na2HPO4 . 2H2O), kalijev klorid (KCl) i kalijev dihidrogenfosfat (KH2PO4). To su soli koje su normalno prisutne u tjelesnim tekućinama, i u cjepivu su zato da ima odgovarajuću ionsku jačinu, da ne uzrokuje osmoški šok u stanici. Stančne membrane su propusne za vodu koja prelazi s mjesta veće koncentracije prema nižoj, pa voda bez rastvorenih soli upada u stanice i uzrokuje da puknu. U praksi svi znamo da ne smijemo piti veće količine destilirane vode i da infuzije moraju biti fiziološki otopina a ne voda. Osim toga, cjepivo ima još kolesterol, DSPC (1,2-distearoil-sn-glicero-3-fosfoholin), ALC-0159 (2-[(poli-etilen-glikol)-2000]-N,N-ditetradecilacetamid) i ALC-0315 (((4-hidroksibutil)-azan diil)bis(heksan-6,1-diil)bis(2-heksildekanoat)). Unatoč zapletenim imenima, to su relativno jednostavne masne molekule. Kolesterol je masnoća s gonanskom strukturom koja u cjepivu nema puno veze sa zloglasnim proteinskim kompleksima LDL i HDL koje obično mjerimo kad govorimo o kolesterolu. To su veći proteinski čestice koje prenose više molekula masti po tijelu. Zadatak masti u cjepivu je zaštita genetskog materijala u cjepivu jer stvaraju masne nanopestice u koje je zarobljena modRNA.
Svijet i biologija nisu tako spektakularni kao što bi nam hollywoodski filmovi htjeli prikazati. Da smo naivno ubrizgali stranu RNA ili DNA u tijelo, ne bismo proizveli nijedan mutirani organizam. Imuni sustav bi u suradnji s enzimima jednostavno izjedio strani genetski zapis bez da smo to uopće primijetili. To nam se događa dnevno. Prehranom unosimo ogromne količine stranog DNK-a i RNK-a u tijelo pa ni ne primijetimo. Čak i kad nas ljeti ujede komarac, krpelj i drugi insekti, dobivamo u krv stranu genetsku baštinu koja tamo brzo razpade (problematičnije je ako nam podare nekog parazita, bakteriju ili virus). Sam genetski materijal je veoma krhak i nestalan pa i virusi, ti krajnje pojednostavljeni zasjevci života (jesu li uopće živi?), još uvijek zadržavaju ovojnicu u koju je uvučena njihova RNA ili DNA. I tako genetski materijal u cjepivu mora imati masnu ovojnicu da se može dovesti do stanica i ući u njih.
Kad genetski materijal cjepiva uđe u stanicu, zadržava se u citoplazmi. Ne može se prenijeti u jezgru stanice ali zapravo ga tamo ni ne trebamo jer je tamo samo glavni celični DNK. U svakom genetskom materijalu je zapis za proizvodnju proteina koji se proizvode na ribosomima. Oni čitaju informacijsku RNA koju možemo zamisliti kao kopije relevantnih dijelova DNK-a. Prikladni enzimi prvo pročitaju DNK u jezgru i prepisuju ga u mRNA koja zatim putuje iz jezgra u citoplazmu. Ribosomi nisu previše izbirljivi. Svaku mRNA (odgovarajuće oblikovanu, vidi dolje) koju nađu, s veseljem prevode u proteine. A cjepivo im podmeće takvu RNA koja naravno nije došla iz celičnog DNK-a što ribosomu uopće ne smeta.
Pogledajmo sada što im podmeće cjepivo (BNT162b2 odnosno Tozinameran). Cijela sekvenca ima 4284 nukleotida. Pojedinačni nukleotid sadrži baze, šećer ribozu i fosfatnu grupu. To je osnovni građevni blok RNA (i DNK ako je šećer deoksiriboza). Dok su riboza i fosfatna grupa kod svakog nukleotida ista i predstavljaju kostur na koji su baze pričvršćene, razlikuju se one. U DNK su to adenin (A), guanin (G), citozin (C) i timin (T), u RNA funkciju timina obavlja uracil (U). U 30 mikrograma RNA prisutne u dozi cjepiva zapisano je sve što nam treba za obranu od virusa.
U ovih 4284 znaka ima 8568 bita informacije (za svaku bazu ima četiri mogućnosti dakle za njezin zapis treba dva bita), dakle otprilike 1 kilobajt. Cijeli virus ima otprilike četiri puta više informacija. Genetski zapis čitamo u trojkama. Razlog je jednostavan - sa četiri slova želimo zapisati barem 20 različitih riječi koliko ima aminokiselina koje grade proteine. To znači da si možemo priuštiti neku redundanciju. Trokrakovih opcija ima 64 (zovemo ih kodoni), aminokiselina pa 20. Priroda ovdje nije bila jednako pravedna jer za triptofan kodira samo jednu sekvencu (UGG) pa svaka točkovna mutacija uzrokuje zamjenu aminokiseline dok za leucin opcija ima šest (UUA, UUG, CUA, CUC, CUG, CUU). To će biti važno kasnije.
Cijeli genetski kod u cjepivu je objavljen, isto vrijedi i za protein S u virusu (i cijeli virus). Kao u računarstvu, tako i u genetici kod sadrži određene zaglavlja, smjernice, usmjeravajuće podatke itd. Počinje s nukleotidima GA koji predstavljaju kapu na 5'-kraju (krajevi RNA lanca označujemo 5' i 3' jer su ciklični šećeri riboze kao kostur povezani na mjestima 3 i 5). Ta kapa je nužno potrebna da je mRNA uopće aktivna, slično kao što skripte u Linuxu imaju na početku deklaraciju #!. Slijedi dio koji se ne prepisuje (UTR - untranslated region). Taj je nužno potreban jer ribosom ne može početi čitati od početka jer se mora fizički pričvrstiti na mRNA čime sam sebi blokira neke početne nukleotide. Prepisivanje počinje nakon kodona AUG koji označuje početak proteina. Prvi kraći dio je signalni peptid - to je kraći dio nekoliko aminokiselina koje nisu dio proteina S već imaju usmjeravajuću funkciju. Pričvršćene su na početak nastalog proteina i sadrže informacije što stanica s njim treba napraviti: neka se još dodatno promijeni (posttranslacijske modifikacije), npr. pričvrsti metilnu grupu na određene aminokiseline, kamo da ode itd.
Dakle nakon dva nukleotida kape, 52 nukleotida koji se ne prevode, prevode se 48 nukleotida u signalni protein (s 16 aminokiselina), zatim slijedi tek zapis za protein S (nukleotidi 103-3879). Ako usporedimo taj zapis sa zapisom za isti protein u stvarnom virusu, primjećujemo ne malo razlika pa se ta RNA zove modificirana (modRNA). Prva očita razlika je odsutnost uracila. Umjesto slova U u kodu je Ψ što predstavlja 1-metil-3'-psevdouridil. Razlog je prilično lukav. Strana RNA u tijelu nije baš dugovječna jer je uništava imuni sustav. Ispada da ta zamjena uvjeri imuni sustav da RNA nije opasna pa je pusti na miru dok pri prevođenju RNA u proteine ta zamjena ne uzrokuje problema jer ribosomi je još uvijek normalno čitaju kao U. Zato su u cjepivu dosljedno svi U zamijenjeni Ψ. Druga promjena je zamjena nekih A i Ψ/U za G i C kad to ne utječe na aminokiselinu koju kodira kodon (više kodona kodira istu aminokiselinu kao što smo vidjeli gore). U dvoverižnom DNK to ima za posljedicu veću stabilnost jer između G i C ima tri vodikove veze, između A i T dvije. U RNA je lanac samo jedan ali te modifikacije su ipak korisne jer povećavaju učinkovitost prevođenja i sinteze. Sve te promjene na konačni proizvod nemaju utjecaja - još uvijek se sintetizira isti protein S kao što ga ima virus. Kažemo da su to sinonimne supstitucije.
Detaljan pregled pokazuje da su dvije supstitucije drugačije. Dva kodona su promijenjena tako da umjesto valina i lizina kodiraju prolin. To je nužno da protein S koji stanica napravi ima isti oblik kao onaj na virusu. Imuni sustav namreč prepoznaje oblik pa mora biti što identičniji. Ako napravimo protein S u stanici i ostavimo ga samog, sruši se u drugačiji oblik od onog pričvršćenog na virusnu ovojnicu. Imuni odgovor bi se zato naučio prepoznati protein koji nije jednak virusnom što bi bilo beskorisno. Ovu zamjenom pak uzrokuje da protein S koji je sam u otopini ima isti oblik kao virusni. Nije slučaj da je ključ baš prolin jer je to jedina aminokiselina s cikličnom strukturom koja nema primarnu aminsku grupu već sekundarnu. U praksi to znači da je znatno rigidnija. Ako je umetnemo na pravo mjesto, "zaključa" strukturu proteina.
Na kraju slijede dva kodona UGA koji su stop kodoni - tamo ribosom zaustavlja sintezu proteina. Slijedi dio koji se ne prevodi (3'-UTR) ali mora biti tamo. Funkcija ih je više, mnoge još ne poznajemo ali svakako utječe na poliadenilaciju, učinkovitost prevođenja, stabilnost same mRNA i lokacije gdje se nalazi. mRNA se završava sekvencijom A koja štiti od degradacije. Kod svake upotrebe neke otpade pa postoji optimalna vrijednost s koliko A se mRNA mora završiti za optimalni izraz gena.
Ako sažmemo: U cjepivu je vodeni rastvor nekih soli koje brinu za odgovarajući pH i ionsku jačinu da stanice ne dožive šok i hrpu masti koje sakriju genetski zapis mRNA da se može bez uništenja probiti u stanice. Spomenuta mRNA u stanici ostaje u citoplazmi gdje ribosomi iz nje proizvode isti protein S kao što ga virus ima na površini da se imuni sustav zatim nauči reagirati na njega. Da cjepivo bude učinkovitije, mRNA u cjepivu nije baš ista kao u virusu. Umjesto nukleotida U (uracil) koristi sintetski analog da izbjegne uništenje sa strane imunog sustava, isto tako ima zamjene koje ne utječu na izražene aminokiseline ali osiguravaju učinkovitiju sintezu. Na dva mjesta su aminokiseline zamijenjene čime se osigurava da oblik usamljenog proteina S ostane isti kao onaj na virusu. Zbog tih modifikacija govorimo o modificiranoj informacijskoj RNA (modRNA). Sama RNA pak sadrži početnu kapu, dio koji se ne prevodi, signalni oligopeptid, relevantni dio za prevođenje u protein, završni dio koji se ne prevodi i poliadenilnu zaštitu od degradacije. U stanici mRNA naravno ne ostaje dugo već brzo razpada.