Nobelova cena za fyziológiu alebo medicínu Katalin Karikó a Drew Weissman získali ocenenie za objavy vedúce k mRNA vakcínam

COVID-19 ani mRNA vakcíny už dnes netreba širokej verejnosti nijako obzvlášť predstavovať. Azda pripomeňme len to, že mRNA vakcíny vďaka možnosti pomerne rýchlej produkcie v porovnaní s dovtedy dostupnými spôsobmi výroby vakcín zohrali významnú rolu pri prvotnom potláčaní pandémie koronavírusu SARS-CoV-2.

Potenciál technológií mRNA vakcín sa však zďaleka nekončí pri covide. O sľubných výsledkoch preklinických štúdií o ich použití v boji s inými infekčnými chorobami či s genetickými poruchami sme už v minulosti na Postoji písali.

Niet preto divu, že Nobelova komisia tento rok ocenila práve Katalin Karikó, neúnavný hnací motor za vývojom RNA technológií na terapeutické účely, a jej dôležitého spojenca Drewa Weissmana.

V čom presne však spočívajú oné „objavy modifikácie nukleových báz“, za ktoré duo na čele so sympatickou Maďarkou dostalo najprestížnejšie vedecké ocenenie?

Dnes sa pozrieme na jeho článok z roku 2005, ktorý Nobelova komisia vo svojom vyhlásení označila za jeho hlavný prelom.

Ako dostať antigén do organizmu

Základným princípom očkovania, ktorého pôvod môžeme hľadať u Louisa Pasteura v 19. storočí, je ten, že zdravý organizmus sa vystaví súčastiam pôvodcu infekčnej choroby – či už oslabeným, alebo rovno zneškodneným baktériám alebo vírusom.

Niektoré z týchto súčastí vyvolajú imunitnú odpoveď a tak vedú k imunite organizmu voči celému patogénu. Tieto malé časti nazývame antigény, keďže generujú protilátky (z gréckeho anti ‒ „proti“).

Čítajte tiež

Génová terapia Vedci upravili technológiu z mRNA vakcín tak, aby vedeli opraviť chybné gény

Martin Lukačišin

Vedci z Filadelfie prispôsobili lipidové nanočastice tak, aby nimi vedeli meniť genóm v krvných kmeňových bunkách priamo v tele prijímateľa.

Základným problémom je, ako vyrobiť dostatočné množstvo antigénov na očkovanie veľkej populácie. Spomeňme si hoci len na stále aktuálny, takmer každoročný nedostatok chrípkových vakcín, ktoré sú založené na prácnom vyrábaní sezónnych antigénov pomocou slepačích vajec.

Katalin Karikó si ešte v deväťdesiatych rokoch minulého storočia uvedomila potenciál toho, keby sme miesto dodania týchto antigénov zvonka vedeli bunky priamo v tele zaočkovaného inštruovať, aby si onen antigén vyrobili samy.

S našimi nepriateľmi vírusmi i baktériami nás totižto paradoxne spája základný princíp genetiky ‒ skutočnosť, že genetická informácia z DNA sa najprv prepíše do RNA a pre gény kódujúce bielkoviny sa následne táto RNA preloží aj do proteínového reťazca.

Keby sme teda vedeli do ľudských buniek dostať krátky úsek DNA so zakódovanou informáciou o tom, ako vyrobiť vírusový či bakteriálny antigén (nie však, pochopiteľne, celý vírus či baktériu), organizmus by mohol túto informáciu preložiť a voči antigénu si vytvoriť protilátky.

Cudzorodé nukleové kyseliny v ľudskom tele vyvolávajú zápal

Karikó však pri svojej snahe natrafila na vážny problém ‒ tak DNA, ako aj RNA, ak boli zvonku pridané k imunitným bunkám, namiesto žiadanej imunity vyvolávali nešpecifický zápal.

Namiesto toho, aby organizmus informáciu preložil, tým vytvoril zakódovaný antigén a následne vzbudil imunitnú reakciu naň, zakódovanú informáciu prakticky celkom odignoroval a útočil len na samotný nosič tejto informácie v podobe DNA či RNA. A ničil bunky, ktoré ju obsahovali.

Čítajte tiež

Výskum starnutia Keď je mladá krv viac než len metafora

Martin Lukačišin

Americkí vedci ukázali, že mladá krv dokáže omladiť starý organizmus.

To bolo paradoxné, keďže predsa ľudské bunky štandardne obsahujú veľké množstvo tak deoxyribonukleových (DNA), ako aj ribonukleových kyselín (RNA). V čom sa teda tieto umelo dodané RNA a DNA líšili od telu vlastných?

Tu prichádza na scénu onen prelomový výskum publikovaný v článku od Katalin Karikó, Michaela Bucksteina, Houping Ni a Drewa Weissmana, zverejnený v časopise Immunity v roku 2005.

Telu vlastné RNA obsahujú pozmenené nukleové bázy

Autorský kolektív na zodpovedanie tejto otázky najprv sledoval, ako veľmi RNA rôzneho pôvodu stimulujú vylučovanie zápalových signálov v dendritických bunkách, dôležitom podtype imunitných buniek.

Vedci si všimli, že podobne ako umelo zosyntetizovaná RNA, aj bakteriálna RNA či RNA z nekrotických ľudských buniek je schopná vyvolať zápalové signály.

Následne bakteriálnu RNA rozdelili na rôzne frakcie a zistili, že tzv. transferová RNA vyvoláva oveľa menší zápal. Podobne rozdelili na frakcie RNA z ľudských buniek a všimli si, že prakticky žiadna z nich nevyvoláva veľký zápal s výnimkou RNA z ľudských mitochondrií.

Čítajte tiež

Umelá inteligencia Čo majú spoločné pápež v páperovej bunde a dizajnové proteíny

Martin Lukačišin

Americkí vedci prišli na spôsob, ako pomocou umelej inteligencie navrhnúť proteíny plniace želanú funkciu.

Tu prichádza ich brilantná úvaha. Už vtedy bolo známe, že baktérie svoje RNA po transkripcii nijako obzvlášť ďalej nemodifikujú. S jednou dôležitou výnimkou ‒ transferových RNA. Rovnako sa vedelo, že eukaryotické, a teda aj ľudské bunky sú v tomto oveľa zložitejšie a prakticky všetky svoje RNA po transkripcii výrazne modifikujú. Opäť s jednou dôležitou výnimkou – mitochondrie, súčasť eukaryotických buniek, ktorým sa prisudzuje bakteriálny pôvod, RNA nemodifikujú.

Ich vedecká hypotéza teda padla na modifikácie báz kyselín RNA ako faktor rozhodujúci o tom, či RNA vyvolá v dendritických bunkách zápalovú odpoveď.

Následne odskúšali niekoľko vtedy známych modifikácií zakomponovať do umelo zosyntetizovanej RNA. A skutočne, takto identifikovali tri najdôležitejšie modifikácie ribonukleových báz, ktoré boli schopné potlačiť imunitnú odpoveď voči syntetickej RNA ‒ metyláciu na piatom uhlíku cytozínu, metyláciu na aminoskupine adenozínu a štruktúrny izomér uridínu zvaný pseudouridín (pozri ilustráciu nižšie).

Najdôležitejšie modifikácie báz RNA, identifikované Karikó et al. ako schopné potlačiť imunitnú reakciu voči cudzorodej RNA. Modifikovaná časť bázy je vyznačená červenou. Pod chemickým vzorcom je uvedený anglický názov danej bázy so zaužívanou skratkou v zátvorkách.

Modifikované bázy robia umelú RNA viac prirodzenou

Pri pohľade späť tento objav dával jednoznačný zmysel ‒ imunitný systém sa pri vyšších organizmoch vyvinul tak, že dokáže používať prítomnosť či absenciu modifikácie báz RNA na rozlíšenie medzi vlastnou, potrebnou RNA a cudzorodou, potenciálne nebezpečnou RNA pochádzajúcou z baktérií a vírusov.

Zakomponovanie modifikovaných báz do syntetických RNA teda umožnilo akoby okabátiť organizmus prijímateľa tak, aby pokladal túto umelú RNA za svoju vlastnú a preložil informáciu v nej zahrnutú do molekuly proteínu. A proti nej následne získal protilátky.

Čítajte tiež

Očkovanie proti chrípke mRNA vakcíny môžu byť skokom vpred aj v boji s bežnou chrípkou

Martin Lukačišin

Výskum vedcov z Filadelfie ukazuje, že mRNA vakcíny by mohli umožniť imunizáciu voči mnohým druhom chrípky súčasne.

Od tohto objavu bolo k funkčnej mRNA vakcíne potrebné spraviť ešte niekoľko zásadných technologických krokov. Najdôležitejším z nich bolo vyriešenie dopravenia RNA dovnútra samotných buniek, čo sa nakoniec docielilo pomocou zabalenia RNA do lipidových nanočastíc.

Napriek tomu možno právom povedať, že objav potreby modifikovania báz RNA na terapeutické účely otvoril cestu k mRNA vakcínam tak, ako ich poznáme dnes.

Autor je výskumník v oblasti systémovej biológie.