Chiến lược xâm nhập của virus lớn nhất thế giới

Nghiên cứu do viện Weizmann tiến hành mang đến những hiểu biết quan trọng về quá trình lây nhiễm virus. Được công bố trực tuyến trên tờ PLoS Biology, nghiên cứu tiết lộ cơ chế xâm nhập tế bào amip của Mimivirus (virus “bắt chước”) - cái tên bắt nguồn từ ý kiến cho rằng Mimivirus bắt chước vi khuẩn trên nhiều phương diện hoạt động. 

Quá trình tế bào sống lây nhiễm virus trải qua 2 bước. Đầu tiên, virus xâm nhập vào tế bào. Sau đó, ở bước chủ chốt thứ hai, tế bào sản xuất thêm virus mới nhanh chóng lây lan và xâm nhập các tế bào khác. Ở giai đoạn đầu quá trình sản xuất virus, tế bào hình thành vỏ ngoài cho virus với thành phần là một số loại protein, do đó lớp vỏ còn có cái tên vỏ protein. Sau đó tế bào sao chép ADN của virus rồi đưa vào trong lớp vỏ. Kết quả là một virus mới với đầy đủ chức năng được tạo ra, sẵn sàng rời tế bào vật chủ đi tấn công các tế bào khác.

Tìm hiểu cách thức lây nhiễm của virus và sản xuất virus trong quá trình lây nhiễm giúp các nhà khoa học ngăn chặn chu trình này, hạn chế các bệnh do virus gây ra. Tuy nhiên một trong những khó khăn tồn tại chính là chiến lược xâm nhập của các loại virus khác nhau luôn luôn biến đổi khác nhau.

Mimivirus khác biệt so với các loại virus khác ở kích cỡ đặc biệt của nó, nó lớn gấp 5 đến 10 lần virus thông thường do đó làm nảy sinh trở ngại thú vị trong nghiên cứu này. Mimivirus chỉ mới được phát hiện vào cuối thế kỉ 20, kích cỡ khác thường của nó khiến nó không thể bị phát hiện bằng những phương pháp thông thường. Bên cạnh đó, nó có chứa nhiều nguyên liệu di truyền hơn các virus khác – một đặc điểm khiến mimivirus phát triển các phương pháp hiệu quả để đưa ADN của nó vào tế bào vật chủ cũng như đưa nguyên liệu di truyền được tạo mới vào lớp vỏ protein trong quá trình sản xuất virus ở tế bào vật chủ.

(Hình A) Ảnh hiển vi điện tử dẫn truyền (TEM) phần ngoại bào của Mimivirus được cố định, nhuộm màu lộ ra cấu trúc hình sao. (Hình B) Ảnh hiển vi điện tử dẫn truyền lạnh (Cryo-TEM) Mimivirus không thớ được tráng men. (Hình C) Ảnh hiển vi quét điện tử (SEM ) cấu trúc hình sao phần ngoại bào một Mimivirus trưởng thành. (Hình D) Ảnh hiển vi quét điện tử lạnh (Cryo-SEM)virus không thớ chưa trưởng thành. (Hình E) Lát cắt quang tuyến phần nội bào Mimivirus giai đoạn 12 giờ sau lây nhiễm. Tại giai đoạn này, các bộ phận của virus tràn ngập trong tế bào vật chủ. (Hình F và G) Sau khi virus khôi phục thể tích ở hình E, lớp vỏ hình khối đa diện lộ ra gồm phần ngoại bào (màu đỏ) và phần nội bào (màu cam). Cấu trúc hình sao có ở cả hai loại vỏ nhưng chấp nhận cấu trúc hình sao được bao kín ở cả ngoại bào và nội bào theo thứ tự định sẵn. (Hình H) Hai vỏ (F) và (G) chồng lên nhau. (Ảnh: Distinct DNA Exit and Packaging Portals in the Virus Acanthamoeba polyphaga mimivirus Zauberman N, Mutsafi Y, Halevy DB, Shimoni E, Klein E, et al. PLoS Biology Vol. 6, No. 5, e114 doi:10.1371/journal.pbio.0060114)

Giáo sư viện Weizmann - Abraham Minsky – cùng với nghiên cứu sinh Nathan Zauberman và Yael Mutsafi (Khoa hóa hữu cơ) phối hợp cùng tiến sĩ Eugenia Klein, Eyal Shimoni (Cơ quan hỗ trợ nghiên cứu hóa học) đã tìm ra chi tiết một số phương pháp được virus sử dụng.

Trong nghiên cứu mới của họ, lần đầu tiên các nhà khoa học ghi lại được hình ảnh ba chiều giai đoạn đầu khi nguyên liệu di truyền của virus được đưa vào tế bào bị lây nhiễm cũng như hình ảnh quá trình đưa nguyên liệu di truyền vào vỏ protein. Tất cả các nghiên cứu về virus trước đây, các nhà khoa học cho rằng nguyên liệu di truyền của virus xâm nhập vào tế bào (trong quá trình lây nhiễm) cũng như đi vào lớp vỏ protein mới hình thành (qua quá trình sản xuất virus mới bên trong tế bào) thông qua cùng một kênh dẫn truyền tạo ra trong lớp vỏ virus. Ngược lại, nghiên cứu mới khám phá ra rằng mimivirus khổng lồ sử dụng các kênh dẫn truyền khác nhau nằm ở vị trí khác nhau trên vỏ để thực hiện hai mục đích nói trên. Họ cũng phát hiện thấy chuỗi xoắn ADN ở cả hai quá trình không tạo thành chuỗi dài như các virus khác mà được phân tách thành các khối tập trung dày đặc. Họ tin rằng những đặc điểm độc nhất này đã hỗ trợ hiệu quả cả quá trình lây nhiễm tế bào vật chủ cũng như quá trình chuyển khối lượng lớn vật liệu di truyền vào lớp vỏ của mimivirus.

Trong nghiên cứu, ảnh kính hiển vi điện tử ghi lại cảnh mimivirus xâm nhập tế bào amip cho thấy ngay sau khi xâm nhập, thành của lớp vỏ protein hình đa giác bao gồm 20 tam giác ghép lại phân tách ra như những cánh hoa để tạo thành một cấu trúc xâm nhập hình sao lớn có biệt danh “stargate”. Lớp màng bên dưới stargate hòa với màng tế bào amip, tạo thành một kênh dẫn truyền lớn đưa virus vào bên trong tế bào. Áp lực tạo ra của vụ “phá thành đột ngột” này lớn gấp 20 lần áp lực khi chúng ta mở nút chai sâm-panh, đẩy ADN của virus qua kênh dẫn truyền. Kích cỡ lớn cho phép nguyên liệu di truyền của virus di chuyển nhanh chóng vào bên trong tế bào amip.

Các bức ảnh khác cho thấy bằng cách nào nguyên liệu di truyền của virus được chuyển vào trong lớp vỏ protein khi virus mới tạo thành trong tế bào vật chủ. Ở quá trình này, nguyên liệu di truyền của virus chuyển đến vị trí thích hợp qua một khe hở trên thành lớp vỏ mới đối diện với stargate. Việc chuyển nguyên liệu di truyền phải vượt qua được áp lực bên trong lớp vỏ. Có lẽ nó được điều khiển bởi một “động cơ” nằm trong thành vỏ giúp che giấu lối vào.

Các nhà khoa học tin rằng nghiên cứu về vòng đời của mimivirus, từ giai đoạn lây nhiễm cho đến giai đoạn sản xuất virus mới, sẽ mang lại những thông tin giá trị về cơ chế hoạt động của rất nhiều loại virus khác, bao gồm những virus gây bệnh cho con người.