นักวิจัยจาก University of Oxford ประเทศอังกฤษ รายงานในวารสาร Nature ว่าสามารถติดตามการประกอบตัวของอนุภาคคล้ายไวรัส (virus-like particle; VLP) ได้ในระดับโมเลกุลเดี่ยว โดยวัดมวลของอนุภาคหนึ่งอนุภาคซ้ำอย่างต่อเนื่องขณะที่โปรตีนแต่ละชิ้นเข้ามาเกาะ ผลที่ได้แสดงให้เห็นว่าการประกอบตัวอาศัยการลองผิดลองถูก และมีวงแหวนห้าเหลี่ยมที่เสถียรเป็น “จุดตรวจ” แรก ก่อนที่การเติบโตจะเร็วขึ้น
ทำไมเรื่องนี้จึงน่าสนใจ
เปลือกโปรตีนของไวรัส หรือแคปซิด (capsid) ทำหน้าที่ห่อหุ้มและปกป้องสารพันธุกรรม แคปซิดอาจประกอบจากหน่วยย่อยหลายสิบจนถึงหลายพันหน่วย และส่วนใหญ่ประกอบตัวเองได้อย่างถูกต้องโดยไม่มีพิมพ์เขียว แต่โครงสร้างกึ่งกลาง (intermediate) ระหว่างทางเกิดขึ้นเพียงชั่วครู่และมีปริมาณน้อยมาก ที่ผ่านมานักวิจัยจึงต้องอนุมานขั้นตอนการประกอบย้อนกลับจากผลลัพธ์สุดท้าย มากกว่าจะเห็นมันเกิดขึ้นจริง
เรามาทำความเข้าใจเป็นลำดับดังนี้
- อนุภาคต้นแบบ: ทีมวิจัยใช้ mi3-VLP ซึ่งเป็นอนุภาคโปรตีนที่ออกแบบขึ้นและกำลังถูกประเมินเป็นแพลตฟอร์มวัคซีน ประกอบจากโปรตีนชนิดเดียวกัน 60 หน่วย ที่จับกันเป็นกลุ่มละสามหน่วย (trimer) จำนวน 20 กลุ่ม แล้วต่อกันเป็นทรงสิบสองหน้า (dodecahedron) ที่มีหน้าห้าเหลี่ยม 12 หน้า (ภาพที่ 1)
- ชั่งมวลด้วยแสง: เทคนิค mass photometry ซึ่งพัฒนาขึ้นที่ Oxford วัดมวลของโมเลกุลเดี่ยวจากปริมาณแสงที่โมเลกุลนั้นกระเจิง จึงบอกได้ว่าโครงสร้างตรงหน้ามีโปรตีนกี่หน่วย ดังกราฟการกระจายมวลในภาพที่ 1
- กักโมเลกุลไว้ให้มองเห็นตลอด: ทีมวิจัยยึด trimer ไว้บนแผ่นเยื่อไขมันสองชั้น (supported lipid bilayer) รูปวงกลมขนาด 5 ไมโครเมตร โปรตีนเคลื่อนที่และประกอบกันได้บนผิว แต่ไม่หลุดออกจากบริเวณที่วัด จึงติดตามอนุภาคเดียวได้เป็นเวลานาน โดยบันทึกมวลได้ราว 250 ครั้งต่อวินาที
ผลการทดลอง
แรงยึดระหว่างหน่วยย่อยแต่ละคู่ค่อนข้างอ่อน (ค่าคงที่การแตกตัว KD ราว 1.3 และ 2.5 ไมโครโมลาร์) ทำให้ชิ้นส่วนที่ต่อผิดหลุดออกและลองใหม่ได้ คล้ายการเดินหาทางในเขาวงกต แต่เมื่อโครงสร้างใดต่อกันเป็นวงปิด (closed structure) และมีจุดยึดหลายจุดพร้อมกัน โครงสร้างนั้นจะเสถียรขึ้นมาก และทำหน้าที่เป็นจุดตรวจที่คัดเส้นทางการประกอบจำนวนมหาศาลให้เหลือเพียงไม่กี่เส้นทาง
โครงสร้างเสถียรแรกคือวงแหวนห้าเหลี่ยมจาก trimer 5 กลุ่ม ซึ่งเป็นขั้นก่อตัวเริ่มต้น (nucleation) ที่ยากที่สุด หลังจากนั้น การไปถึงโครงสร้างเสถียรถัดไป (8 trimer) ต้องเพิ่มอีก 3 กลุ่ม ส่วนขั้นต่อ ๆ ไปจนถึง 14 trimer ต้องเพิ่มเพียงขั้นละ 2 กลุ่ม การเติบโตจึงเร็วขึ้นเรื่อย ๆ เมื่อติดตามอนุภาคเดี่ยว 25 อนุภาค ทีมวิจัยเห็นมวลเพิ่มขึ้นเป็นขั้น ๆ และไม่พบการแตกตัวย้อนกลับ (ภาพที่ 2) ความเข้มข้นของโปรตีนก็มีผลต่อความเร็ว เมื่อให้วงแหวนห้าเหลี่ยมบนเยื่อไขมันสัมผัสกับโปรตีนในสารละลาย อนุภาคประกอบเสร็จสมบูรณ์ในราว 10 นาทีที่ความเข้มข้นโมโนเมอร์ 88 นาโนโมลาร์ และราว 40 นาทีที่ 29 นาโนโมลาร์
“ตอนนี้เราสามารถเฝ้าดูสิ่งที่เกิดขึ้นทีละโมเลกุล และเห็นกฎทางฟิสิกส์ที่ทำให้สิ่งนี้เป็นไปได้”
Dr Roi Asor หนึ่งในหัวหน้าทีมวิจัย Department of Chemistry และ Kavli Institute for Nanoscience Discovery, University of Oxford
ความสำคัญและข้อจำกัด
ทีมวิจัยมองว่าความเข้าใจนี้อาจช่วยออกแบบยาต้านไวรัสที่เข้าไปรบกวนการประกอบเปลือก และช่วยออกแบบอนุภาคคล้ายไวรัสสำหรับวัคซีนและการรักษาอื่น ๆ วิธีการเดียวกันยังอาจใช้ศึกษาการประกอบตัวเองของโครงสร้างชีวภาพอื่น เช่น โครงร่างเซลล์และโปรตีนเชิงซ้อนขนาดใหญ่
อย่างไรก็ตาม งานนี้เป็นการศึกษาพื้นฐานในห้องปฏิบัติการ อนุภาคที่ใช้เป็นโปรตีนที่ออกแบบขึ้น ไม่ใช่ไวรัสก่อโรค และมีรูปทรงสิบสองหน้า ซึ่งต่างจากแคปซิดทรงยี่สิบหน้า (icosahedral) ที่พบในไวรัสตามธรรมชาติหลายชนิด แม้ผู้วิจัยคาดว่าหลักการทางชีวฟิสิกส์พื้นฐานของการประกอบแคปซิดน่าจะเหมือนกัน ส่วนยาต้านไวรัสหรือวัคซีนเป็นการต่อยอดในอนาคต ยังไม่ใช่ผลลัพธ์ของงานวิจัยนี้
สำหรับคนที่สนใจสามารถเข้าไปศึกษารายละเอียดของรายงานวิจัยได้ที่ Molecular-level observation of the self-assembly of a virus-like particle
ข่าวจาก University of Oxford และ ScienceDaily