Veliki pregled: Otkrića koja su obilježila 2020. godinu
Nobelova nagrada za kemiju
Emmanuelle Charpentier s Instituta Max Planck u Berlinu i Jennifer A. Doudna sa Sveučilišta Berkeley u Kaliforniji dobitnice su ovogodišnje Nobelove nagrade za kemiju za razvoj metode uređivanja genoma. Radi se o danas već poznatoj metodi CRISPR/Cas9 genetskih škara, uz pomoć koje istraživači mogu na relativno jednostavan način promijeniti genetski materijal organizama. Sve je počelo kada je Emmanuelle Charpentier otkrila mehanizam imunološke reakcije kojom se S. pyogenes brani od napada bakteriofaga, a koji uključuje CRISPR/Cas sustav. U povijesnoj suradnji koja je prvi puta dvjema ženama donijela Nobelovu nagradu u području znanosti, Emmanuelle Charpentier i Jennifer Doudna, biokemičarka sa širokim znanjem o RNA molekulama, razvile su CRISPR/Cas9 sustav primjenjiv i u drugim organizmima. Metoda se često naziva početkom nove ere u znanosti, a trenutno su u tijeku brojna klinička istraživanja koja ispituju njezinu primjenu u liječenju nasljednih genetskih bolesti.
Nobelova nagrada za fiziologiju i medicinu
Harvey J. Alter, liječnik-istraživač s Nacionalnog instituta za zdravlje u SAD-u, molekularni biolog Michael Houghton sa Sveučilišta u Alberti u Kanadi te virolog Charles M. Rice sa Sveučilišta Rockefeller u New Yorku dobitnici su ovogodišnje Nobelove nagrade u području medicine za otkriće virusa hepatitisa C. Istraživanjem pojave hepatitisa nakon primanja transfuzije krvi, uvidjeli su kako postoji značajan broj slučajeva u kojima se javlja hepatitis, a uzročnici nisu prethodno otkriveni virusi hepatitisa A ili B. Iz krvi tih pacijenata tako su izolirali i zatim istražili novi virus - hepatitis C. Tim otkrićem značajno su povećali sigurnost postupka transfuzije krvi, ali i doprinijeli razvoju metoda liječenja infekcija prouzrokovanih hepatitisom C, kojima se prevenira posljedični razvoj tumora jetre.
Breakthrough nagrade u području Life Sciences
Catherine Dulac sa Sveučilišta Harvard i Howard Hughes Instituta za medicinu nagradu je osvojila za dekonstrukciju kompleksnog ponašanja prilikom odgoja mladunaca na razini stanica te definiranje neuralnih mreža koje pritom upravljaju spolno-specifičnim ponašanjem. Istraživanjima na miševima otkrila je kako su dijelovi mozga koji upravljaju aktivnostima pri odgoju mladunaca jednaki u oba spola, ali se spolno-specifično aktiviraju. Spolno-specifično ponašanje podložno je okolišnim uvjetima poput feromona, a u određenim slučajevima životinje se mogu ponašati i na način za koji se vjerovalo da je karakterističan za suprotni spol.
Yuk-ming Dennis Lo sa Sveučilišta u Hong Kongu dobitnik je ove nagrade za otkriće prisustva fetalne DNA u majčinoj krvi te primjene u prenatalnom testiranju za genetske poremećaje, uključujući nasljedne mutacije te abnormalnosti u vidu viška ili manjka kromosoma. Za neinvazivnim DNA testiranjem godišnje posežu milijuni trudnih žena, a testom se mogu u ranijim stadijima razvoja fetusa otkriti potencijalno smrtonosna oštećenja.
Richard J. Youle s Nacionalnog Instituta za zdravlje u SAD-u nagradu je osvojio za otkrivanje puteva kontrole kvalitete kojima se uklanjaju oštećeni mitohondriji, štiteći na taj način od pojave Parkinsonove bolesti. Otkrio je kako pacijenti s nasljednim oblikom bolesti nose mutacije gena koje sprječavaju uklanjanje oštećenih mitohondrija i dovode do njihova nakupljanja u stanicama. Osim razumijevanja uloge gena u zdravom i bolesti zahvaćenom mozgu te moguće terapije za prevenciju Parkinsonove bolesti, istražuje se potencijal primjene ovih znanja i povezanih terapija i na druge bolesti povezane s oštećenim mitohondrijima.
David Baker sa Sveučilišta u Washingtonu i Howard Hughes Instituta za medicinu primio je nagradu za razvoj tehnologije koja omogućuje dizajn novih proteina, uključujući one do danas neviđene u prirodi, kao i one koji imaju terapeutski potencijal u liječenju ljudskih bolesti. Putem in silico metoda, analizirao je biokemiju proteina i način na koji se oni smataju u nativne strukture. Primjenom stečenih znanja i iskustva u području smatanja proteina, generirao je nekolicinu sasvim novih proteina koji mogu provoditi precizne biološke funkcije. Jedan od takvih proteina tako ima svojstvo ometanja virusa gripe prilikom inficiranja stanice domaćina te time postiže potencijal za stvaranje novog antivirusnog lijeka.
AlphaFold: Umjetnom inteligencijom do znanstvenih otkrića
Još jedan veliki napredak vezan uz smatanje proteina mreža je umjetne inteligencije, u čijem je razvoju veliku ulogu imao Google AI DeepMind, a koja omogućuje in silico predviđanje 3D strukture proteina prema aminokiselinskoj sekvenci. AlphaFold program određuje strukture proteina po uzoru na one dobivene kristalografijom X-zraka i cryo-elektronskom mikroskopijom. Predikcija strukture proteina je visoka, a iako trenutno nije savršena za sve proteine, s unosom većeg broja proteina i procesom deep learninga postajat će sve preciznija. Ovakva sposobnost preciznog predviđanja strukture proteina iz njihovog aminokiselinskog slijeda u budućnosti će pomoći razumijevanju biokemije proteina, stvaranja supramolekularnih kompleksa s drugim molekulama te simulirati način ponašanja proteina prilikom vezanja potencijalnog lijeka.
Postignuća vezana uz istraživanje SARS-Cov-2
2020. godina možda se najviše istaknula kao godina u kojoj se svijet udružio kako bi zajedno pobijedili pandemiju virusa SARS-Cov-2. Znanstvenici i istraživači spremno su i nesebično dijelili svoja saznanja i iskustva te u godinu dana postigli znanstveni napredak za kakav bi nekada bila potrebna desetljeća. Timskim radom biokemičara, molekularnih biologa, kliničara, epidemiologa, imunologa i brojnih drugih znanstvenika, te spoznajom da novi virus uzrokuje ozbiljnu i u velikoj mjeri smrtonosnu respiratornu bolest COVID-19 s iznimnom brzinom prijenosa među ljudima, postalo je jasno se kako će borba s virusom završiti tek s razvojem cjepiva.
Nakon što je otkriveno da novi virus uzrokuje ozbiljnu respiratornu bolest u provinciji Wuhan u Kini, u samo tri dana sekvenciran je njegov genom, nakon čega je u samo deset dana publiciran na znanstvenoj platformi. Otkrilo se kako novi virus dijeli oko 80% genoma s virusom koji uzrokuje bolest SARS, te je tako dobio ime SARS-CoV-2. Istraživanjem načina na koji je virus dospio u čovjeka, pronađeno je genetsko podudaranje SARS-CoV-2 s koronavirusom RmYN02 u kineskim šišmišima. Spoznaje su dovele do zaključka da je virus najvjerojatnije prešao iz životinje u čovjeka te se s vremenom prilagodio čovjeku.
Proučavanjem mehanizma širenja virusa populacijom, otkriveno je kako virus prenose i zaražene i asimptomatske osobe, što je dodatno otežalo smanjenje širenja bolesti. Danas je uvriježeno mišljenje da je barem jedna od pet inficiranih osoba asimptomatska, a vjerojatnost širenja zaraze vjerojatno je najveća dan ili dva prije pojave simptoma bolesti. Nakon što je ustanovljeno da se SARS-CoV-2 prenosi kapljičnim putem pri govoru, izdisaju ili kašlju, visokorizičnima su proglašeni prostori sa slabom ventilacijom i velikom cirkulacijom ljudi, kao što su kafići, uredi i škole. Zajedno s time pojavila se i potreba za načinima sprječavanja širenja zaraze putem aerosola pa su tako maske za lice postale preporučena, a zatim i propisana mjera suzbijanja bolesti. Istraživanja su zatim pokazala kako mjera uistinu sprječava prijenos bolesti i smanjuje smrtonosne ishode.
Iako je mnogo toga još ostalo nerazjašnjeno, istraživanjem zaraženih pacijenata uočeno je kako virus ne zahvaća samo respiratorni sustav, već i krvožilni i živčani sustav. Prema trenutnim saznanjima, virus u nekim slučajevima može cirkulirati krvlju i uzrokovati zgrušavanje krvi, upalu u krvnim žilama i oštećenja kapilara, ali može dovesti i do smrtonosnih ishoda infarktom miokarda. Virus kod pojedinaca također može penetrirati kroz krvno-moždanu barijeru i ući u mozak. SARS-CoV-2 pritom uzrokuje razne neurološke simptome poput delirija, dezorijentacije i zbunjenosti. Nadalje, uzrokuje moždane udare i mikromoždane udare koji često ostaju neprimijećeni, a stvaraju štetu i potenciraju pojavu bolesti. Upala moždanog tkiva i demijelinizacija također mogu dovesti do neurodegenerativnih oštećenja i bolesti, no o većini dugoročnih posljedica na organizam može se tek nagađati na temelju dosadašnjih znanja i iskustava, i bit će ih potrebno istraživati još dugo nakon što ova pandemija završi.
Istraživanjem imuniteta stečenog nakon COVID-19, nastoji se predvidjeti nastavak prijenosa bolesti i potencijalno postizanje imuniteta krda. Otkriveno je kako imunitet traje nekoliko mjeseci, a predviđa se da bi kod nekih ljudi mogao trajati i do nekoliko godina, no imunitet i cirkuliranje virusa organizmom u ovom trenutku još nisu u potpunosti razjašnjeni.
Najveći znanstveni uspjeh ove godine ipak predstavljaju čak 3 registrirana cjepiva za suzbijanje infekcije SARS-Cov-2, razvijena u rekordnom roku. Dok je jedno od ta tri cjepiva adenovirusno, po uzoru na već postojeća cjepiva, druga dva temelje se na novom mehanizmu djelovanja koji do danas još nije registriran. Tehnologija, nastala nizom manjih otkrića tijekom prethodnih godina i usavršena u 2020., tako uključuje lipidne nanočestice s molekulom mRNA koja u stanicama primatelja cjepiva potiče stvaranje spike proteina, potrebnog za ulazak virusa u stanice domaćina. U cjepivu nije prisutan cjelokupni genetski materijal virusa te se virus stoga ne može replicirati u domaćinu, a stvaranjem imunološke reakcije na nastali spike protein, imunosni sustav domaćina stvara memorijske stanice koje će u slučaju naknadnog dodira s virusom potaknuti brzi imunosni odgovor i spriječiti bolest.
