Đại dịch COVID-19: Góc nhìn từ vật lý và sinh học cấu trúc
Năm 2020 đã trở thành một mốc lịch sử khi toàn thế giới phải chống chọi với đại dịch COVID-19, một thảm họa lớn nhất của nhân loại kể từ chiến tranh thế giới thứ 2. Từ những nước đang phát triển cho đến các quốc gia giàu mạnh nhất thế giới, tất cả đều đang gồng hết sức mình để ngăn chặn đại dịch, huy động toàn bộ các tiềm lực kinh tế, quốc phòng, y tế… cùng sự đóng góp của toàn cộng đồng, trong đó các hoạt động nghiên cứu khoa học (NCKH).
Ngay từ đầu thế kỷ XXI, nhân loại đã liên tục chứng kiến và phải chống chọi với hàng loạt dịch bệnh truyền nhiễm nguy hiểm gây bởi virus. Đó là dịch viêm đường hô hấp cấp SARS năm 2003 hoành hành tại 29 quốc gia với 8.422 ca nhiễm và 774 ca tử vong, đại dịch cúm A/H1N1 năm 2009 lây lan toàn thế giới với hơn 200 triệu ca nhiễm và gần 600 ca tử vong, hội chứng viêm đường hô hấp cấp Trung Đông MERS năm 2012 tại 26 nước với 1.218 ca nhiễm bệnh và 450 ca tử vong, dịch Ebola năm 2014 ở châu Phi với hơn 28 nghìn ca nhiễm và hơn 11 nghìn ca tử vong, dịch virus Zika năm 2015-2016 gây bệnh đầu nhỏ ở trẻ em với hơn 1,5 triệu ca nhiễm. Và từ đầu năm 2020 đến nay, cả thế giới thực sự bị chấn động vì đại dịch COVID-19 do virus SARS-CoV-2, một chủng vi rút corona tương tự như chủng virus đã gây dịch SARS và MERS trước đây, gây ra. Kể từ sau đại dịch cúm Tây Ban Nha năm 1918-1920, chưa bao giờ số liệu về ca nhiễm và tử vong vì một đại dịch lại tăng nhanh đến chóng mặt như vậy ở quy mô toàn cầu.
Mỗi khi đại dịch xảy ra, những nỗ lực NCKH luôn được huy động để xác định bản chất y sinh hóa của quá trình lây nhiễm bệnh, giúp phát triển các bộ kit chẩn đoán phát hiện nhanh virus, nhằm ngăn chặn và khống chế dịch bệnh lây lan. Bên cạnh đó, cộng đồng khoa học quốc tế cùng nỗ lực của các công ty dược đang chạy đua với thời gian để nhanh chóng nghiên cứu, điều chế ra thuốc đặc trị và vaccine phòng bệnh. Tuy nhiên quá trình này không hề dễ dàng, đòi hỏi thới gian và hiện nay thế giới vẫn chưa có những loại thuốc đặc trị hay vaccine phòng bệnh hiệu quả nào được chính thức đưa ra thị trường. Để hiểu và thấy được tầm quan trọng của các hoạt động NCKH này, việc cập nhật những thông tin khoa học tổng quát về chủng virus mà chúng ta đang phải đối mặt trong cuộc chiến chống đại dịch này là cần thiết.
Cấu trúc virus SARS-CoV-2
SARS-CoV- 2 là tên viết tắt của chủng virus corona mới gây hội chứng viêm đường hô hấp cấp nặng (Severe acute respiratory syndrome coronavirus 2), đây là loại virus RNA sợi đơn, có kích thước 80-150 nm. Vật liệu di truyền là RNA, có kích thước khoảng 27-32 kilobases, lớn nhất trong các loại virus RNA đã biết, được bao bọc bởi nucleocapsid cuộn thành dạng xoắn ốc. Theo tiếng Latin, chữ “corona” trong tên virus có nghĩa là “vương miện”. Quan sát dưới kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM), xung quanh hạt virus có các gai (protein S) bao bọc giống như chiếc vương miện của nữ hoàng. Nhìn chung, hình thái và cấu trúc của SARS-CoV-2 cũng giống như chủng virus corona khác gây bệnh cho người và động vật. Tuy nhiên, SARS-CoV-2 gây đại dịch COVID-19 lần này đang cho thấy mức độ nguy hiểm của chúng lớn hơn nhiều so với các chủng đã biết. Những kết quả NCKH gần đây đã chỉ ra rằng SARS-CoV-2 có khả năng sống nhiều giờ trên bề mặt vật rắn [1]. Khi có cơ hội tiếp xúc với cơ quan hô hấp của người ta như miệng hay mũi, chúng nhanh chóng thích ứng với các tế bào cảm thụ, nhân lên và tàn phá tế bào. Hình 1 mô tả về hình thái 3D và cấu trúc 2D của virus SARS-CoV-2. Trong đó, protein S với khối lượng ∼150 kDa (1Da=1/12 khối lượng của nguyên tử 12C) có vai trò chính trong việc gắn kết với thụ thể của tế bào cảm thụ để bắt đầu quá trình xâm nhập và nhân lên trong tế bào vật chủ, còn protein M (∼25–30 kDa) là protein cấu trúc, đóng vai trò quan trọng trong quá trình lắp ráp với nucleocapsid để hình thành hạt virus hoàn chỉnh trước khi giải phóng ra khỏi tế bào.
Hình 1: Mô hình 3D (A) và 2D (B) của vi rút SARS-CoV-2 [3]
Theo khuyến cáo của Tổ chức Y tế thế giới WHO, virus SARS-CoV-2 có khả năng lây từ người sang người qua các giọt dịch tiết bắn ra từ khoang miệng hoặc mũi khi có sự tiếp xúc gần ở khoảng cách dưới 2 m hoặc tiếp xúc gián tiếp với các bề mặt đồ vật hay môi trường xung quanh có bám dính dịch tiết mũi họng của người bệnh. Sau khi virus đi vào cơ thể, chúng bám vào tế bào vật chủ nhờ protein S gắn với các thụ thể đặc hiệu trên mặt tế bào, sau đó giải phóng nucleocapsid của vi rút vào trong tế bào. Ngay tại bào tương, RNA sợi dương của virus trực tiếp tạo ra các proteins và vô số bản sao của chúng. Tiếp theo, protein N bao bọc xung quanh bản sao RNA này thành nucleocapsid, trong khi các protein khác (M, S, HE…) được tổng hợp và gắn trên màng của các lưới nội bào có hạt (rER). Nucleocapsid của vi rút tiến gần tới màng rER và dùng ngay màng này để cuộn lại hình thành hạt virus hoàn chỉnh (Hình 2). Các hạt vi rút nảy chồi vào trong các không bào, các khoang chứa virus tiến ra sát màng tế bào và giải phóng vi rút ra bên ngoài môi trường để chúng tiếp tục lây nhiễm đối với các tế bào khác và thực hiện các chu trình nhân lên tiếp theo.
Hình 2: Hình ảnh hiển vi điện tử của vi rút SARS-CoV-2 chồi vào các khoang của tế bào (Va). Các đầu mũi tên trắng chỉ các hạt vi rút [2]
Các nhà khoa học thường dựa trên các thông tin phân tích về cấu trúc, quá trình nhân lên của virus trên tế bào cũng như những dữ liệu về sinh học phân tử để thiết kế và phát triển các loại thuốc đặc trị cũng như vaccine phòng bệnh thích hợp. Tuy nhiên, nhiều thông tin về protein phi cấu trúc được mã hóa bởi virus này vẫncòn chưa rõ, nên hiện nay cộng đồng khoa học vẫn chưa hiểu được vai trò và chức năng của chúng trong quá trình gây bệnh cũng như nhân lên trên tế bào [3].
Khả năng tiêu diệt virus SARS-CoV-2
Mặc dù có khả năng lây lan nhanh chóng giữa người và người, nhưng theo các dữ liệu khoa học, các chủng virus corona nói chung nhạy cảm với sự thay đổi của nhiệt độ, dung môi hòa tan lipid như ete hay chloroform; pH thấp hay tia cực tím. Ngoài ra, virus gây bệnh nói chung và SARS-CoV-2 nói riêng không thể tự sinh sản hay nhân lên mà không có tế bào vật chủ, chúng cũng không thể tồn tại ngoài môi trường mà không có lớp dung dịch bảo vệ như dịch tiết hầu họng, môi trường nuôi cấy virus… Chính vì thế, SARS-CoV-2 hoàn toàn có thể được ngăn chặn và tiêu diệt nếu các biện pháp y tế khuyến cáo được thực thi một cách nghiêm túc, đồng bộ và triệt để. Đối với việc phát triển thuốc đặc trị và vaccine để ngăn chặn SARS-CoV-2, mặc dù cộng đồng khoa học trên thế giới đã đạt được những bước tiến quan trọng như: nuôi cấy thành công vi rút trong phòng thí nghiệm, giải mã toàn bộ bộ gene của virus, và nghiên cứu chi tiết cấu trúc phân tử của virus [4]. Tuy nhiên, cho dù tình hình nghiên cứu đạt được những kết quả khả quan nhất thì chúng ta vẫn phải chờ đợi nhiều tháng cho tới hàng năm nữa đến khi sản phẩm mới có thể đến được với người dân, do thuốc hay vắc xin phải trải qua quá trình đánh giá về tính an toàn, hiệu quả cũng như khả năng sinh miễn dịch của cơ thể.
Vai trò của Vật lý trong nghiên cứu virusSARS-CoV-2
Ngoài việc xác định cấu trúc gene và cấu trúc phân tử của virus, việc nghiên cứu phản ứng của vi rút với các hợp chất dược thuốc hay vaccine có vai trò quyết định trong việc điều trị COVID-19 và chế ngự sự lây lan của đại dịch này. Các chuyên gia sinh học cấu trúc (SHCT) đang được huy động tối đa vào công việc này. SHCT nghiên cứu virus bằng phương pháp vi mô nhất có thể của sinh học phân tử, không chỉ xác định cấu trúc đa nguyên tử của phân tử enzyme virus mà còn tìm hiểu sự thay đổi cấu trúc đa nguyên tử này trong các phản ứng sinh hóa xảy ra khi virus trong tế bào chủ tiếp xúc với hợp chất dược thuốc hay vắc xin thử. Trong ngôn ngữ vật lý, với nhiều nghìn nguyên tử Các bon (C), Ni tơ (N), Ô xy (O) và Lưu huỳnh (S) liên kết hữu cơ với nhau trong protease (enzyme thủy phân protein) của vi rút, đây là hệ phân tử nhiều hạt và các tính toán mô phỏng động học phân tử (molecular dynamics) một hệ như vậy chỉ tiến hành được trên siêu máy tính lớn. Các nghiên cứu SHCT trong phòng thí nghiệm cũng hoàn toàn dựa vào các phương pháp vật lý như nhiễu xạ tia X (X-ray diffraction) hay kính hiển vi điện tử (EM)…
Hình 4: Bức xạ photon (từ vi sóng đến tia X năng lượng cao) được phát ra từ chùm electron được gia tốc theo hướng vuông góc với hướng từ trường trong máy gia tốc synchrotron. Bức xạ này còn được gọi là bức xạ từ hãm (magnetobremsstralung). Minh họa lấy từ Wikipedia.
Theo dòng lịch sử, vật lý luôn có đóng góp thiết yếu nhất cho SHCT [5], từ kính hiển vi thế hệ đầu tiên cho đến EM và kính hiển vi điện tử lạnh (Cryo-EM), máy quang phổ cộng hưởng từ hạt nhân NMR đến hệ đo nhiễu xạ tia X (X-ray diffraction)… luôn đồng hành cùng các nhà y sinh học, giúp phát hiện và phân loại cấu trúc của nhiều loại virus gây bệnh dịch. Cấu trúc xoắn kép DNA, một trong những khám phá quan trọng nhất của thế kỷ XX, đã được phát hiện qua phổ nhiễu xạ tia X của tế bào. Nhiễu xạ tia X là thí nghiệm đo tán xạ chùm photon tia X với năng lượng từ vài keV đến vài chục keV trên các mẫu vật liệu hay mẫu phẩm sinh học khác nhau, với năng lượng photon được chọn sao cho độ phân giải của thí nghiệm tán xạ nhỏ hơn nhiều so với kích thước của mẫu đo. Hiện nay, với tia X cường độ dòng lớn phát ra từ các chùm electron được gia tốc trong từ trường mạnh của synchrotron (Hình 4), những thí nghiệm nhiễu xạ tia X có thể được thực hiện rất nhanh với độ chính xác cao. Ngày 5/2/2020, sau một thời gian ngắn kể từ khi bùng dịch ở Vũ Hán, nhóm tác giả thuộc Trường Đại học Kỹ thuật Thượng Hải đã tải lên Ngân hàng dữ liệu protein cấu trúc protease chính của SARS-CoV-2 do bằng nhiễu xạ tia X tạo ra trong synchrotron của Viện vật lý ứng dụng Thượng Hải (SINAP). Với độ phân giải chi tiết của thí nghiệm này tới 0,2 nm, số lượng các nguyên tử C, O, N và S cùng phân bố không gian của chúng trong protease SARS-CoV-2 được xác định chính xác tới 99,5% [6]. Những cơ sở dữ liệu này là tối cần thiết cho các công ty dược phẩm nghiên cứu và phát triển thuốc đặc trị virus gây dịch COVID-19. Theo các chuyên gia vật lý, cách đây khoảng 10 năm, thí nghiệm này phải thực hiện ít nhất trong vòng một năm mới có được độ chính xác cao như vậy (cuối thế kỷ XX người ta đã cần hơn 4 năm để khẳng định được cấu trúc tinh thể của protease HIV gây bệnh AIDS) [5].
Trước tình hình lan truyền rất mạnh của dịch COVID-19 trên thế giới, nhiều cơ sở nghiên cứu vật lý và SHCT đã được yêu cầu tập trung gấp vào lĩnh vực vi rút SARS-CoV-2. Thí dụ, Quỹ khoa học quốc gia NSF của Hoa Kỳ vừa quyết định tài trợ gấp cho một nhóm các nhà khoa học ở Khoa vật lý thuộc Trường đại học tổng hợp Utah nghiên cứu vi rút SARS-CoV-2 [7]. Tại đây, khả năng chịu đựng của virus corona đối với thay đổi của độ ẩm và nhiệt độ sẽ được kiểm tra trong điều kiện mà cấu trúc virus có thể bị phá hủy. Kết quả nghiên cứu này sẽ giúp y tế công cộng hiểu được cách thức SARS-CoV-2 hoạt động và bị phá hủy thế nào trong các điều kiện môi trường khác nhau. Nhiều chương trình NCKH tương tự hiện đang được triển khai rất khẩn trương trên thế giới.
Lời kết
Đại dịch COVID-19 còn đang diễn biến rất phức tạp trên toàn thế giới, với những hậu quả rất năng nề không thể lường hết được đối với toàn nhân loại. Một điều chắc chắn rằng, phong cách sống hàng ngày của con người ta cũng như nhiều lĩnh vực cộng đồng như phát triển y tế, du lịch, quy hoạch kiến trúc xây dựng… đặc biệt là khoa học và công nghệ sẽ có những thay đổi lớn trong những năm hậu dịch. Hiện nay những hoạt động NCKH của Việt Nam trong lĩnh vực vật lý và SHCT như trình bày còn yếu kém và không được quan tâm. Với số lượng công trình công bố quốc tế là yêu cầu chính của các dự án, đề tài nghiên cứu cơ bản, cộng đồng NCKH ở trong nước hiện chỉ tập trung cố gắng có bài báo công bố quốc tế càng nhiều càng tốt, chưa nói đến việc các cơ sở đại học, nghiên cứu công lập và dân lập cũng đang cạnh tranh với nhau dựa trên số bài báo quốc tế và chỉ số trích dẫn là chính. Hệ quả tất yếu của hiện tượng này là Việt Nam đang có nhiều lĩnh vực NCKH trọng yếu, đặc biệt những nghiên cứu liên ngành không được quan tâm phát triển thích đáng, với sự gắn kết hợp tác NCKH giữa các ngành khoa học cơ bản như vật lý, sinh học và y học còn rất yếu. Đã đến lúc tất cả chúng ta (giới quản lý khoa học và giáo dục đại học, cũng như cộng đồng các nhà khoa học) phải có thay đổi tư duy trong quy hoạch và định hướng NCKH trong những năm tới, sao cho nền khoa học nước nhà được phát triển mạnh mẽ và toàn diện hơn, có được hạ tầng cơ sở hiện đại và nhân lực giỏi để sẵn sàng đối phó với những thách thức mới trong tương lai phát triển của đất nước.
Tài liệu tham khảo
1. https://www.nih.gov/news-events/news-releases/new-coronavirus-stable-hours-surfaces
2. Nguyễn Thanh Thủy, Trần Quang Huy. Atlas vi rút gây bệnh cho người. Nxb Khoa học tự nhiên và Công nghệ, 2010
3. Fehr and Perlman, Coronaviruses: An Overview of Their Replication and Pathogenesis. Methods, Mol. Biol. 2015; 1282: 1–23.
4. https://www.nature.com/articles/d41586-020-00798-8
5. https://physicsworld.com/a/covid-19-how-physics-is-helping-the-fight-against-the-pandemic/
6. DOI: 10.2210/pdb6lu7/pdb
