学生たちは、メイン・ヘス研究所を利用してインフルエンザウイルスの普遍的な治療法を研究しています
メイン大学の学生たちは物理学を利用してインフルエンザと闘っている。物理学教授のサム・ヘスが率いる学部生と大学院生のグループは、インフルエンザウイルスがどのように変異して宿主の細胞を乗っ取るのかを学ぶために、分子シミュレーションと組み合わせた単一分子顕微鏡検査を行っている。
彼らの発見は、他のウイルスにも応用できる可能性を備えた普遍的なインフルエンザ治療法の開発につながり、風邪やインフルエンザの季節を防御するためのより効果的な治療法の選択肢を提供する可能性があります。科学者たちは、その年に最も流行すると考えられるウイルス株に倣って、季節性インフルエンザワクチンをモデル化しています。モデルとは異なる変異株が流行した場合、ワクチンはウイルスを完全に防ぐことはできません。
「科学者は時々誤解することがあり、その年に実際に流行した株はワクチンの対象株ではないか、あまり適合しません」とヘス氏は語った。 「ワクチンで十分に保護されていない場合は、どのようなウイルスが侵入してくるかに対抗する方法が必要です。」
ヘスと彼の学生たちは、超解像顕微鏡と蛍光分光法（レーザーで細胞内の最小の構造を照らす方法）を使用して分子相互作用の画像を取得し、それをシミュレーションと併用して、ナノスケールで何が起こっているかのモデルを作成します。
顕微鏡が使用できる状態になると、研究室は真っ暗になります。オーバーヘッドライトはサンプルを時期尚早にアクティブにして画像を台無しにする可能性があります。顕微鏡レンズの小さな視野の外に見えるのは、レーザーの経路を通って浮遊する塵の斑点だけです。
「目の前で個々の分子が点滅するのを見ると、誰もが興奮します」とヘス氏は語った。 「それは月明かりに照らされた湖の輝き、星やホタルのきらめきのようなものです。非常に明るいわけではありませんが、そのフラッシュを自分の目で見ることができます。」
画像は、インフルエンザウイルスの表面にあるスパイクタンパク質であるヘマグルチニン（HA）と、細胞の最外層である原形質膜との間の相互作用を捉えています。
ウイルスが細胞を攻撃すると、ウイルスは HA を介して細胞膜に付着し、細胞膜に囲まれた密閉された区画になります。時間の経過とともに、ウイルスは細胞膜に穴を開け、ウイルス RNA を送り込むことで細胞に感染します。細胞が感染すると、より多くの HA や他のウイルスタンパク質が生成され、これらが集合して新しいウイルスとなり、より多くの細胞を攻撃して感染する可能性があります。
感染細胞によってさらに HA が生成されると、HA の尾部がホスファチジルイノシトールリン酸 (PIP) (細胞輸送、シグナル伝達、その他のプロセスを調節する宿主細胞膜脂質) と結合し、これらの PIP を使用して新しいウイルスを組み立てます。これは、感染を成功させるためにスパイクタンパク質が宿主細胞とどのように相互作用するかを理解することを目的とした国家研究の基礎です。
メイン州の学生たちは、HAの尾部がPIPとどのように相互作用するのか、そしてその相互作用が抗ウイルス療法や抗体治療などの普遍的なインフルエンザ治療の基礎となり得るかどうかについて研究の範囲を絞っている。
「この小さな尾には、常にそこにある特徴があります」とヘス氏は言いました。 「変異するウイルスでは、保存されているものには理由があって保存されている必要があります。そうでないと、他の部分と同じように変異するだけですよね?」
現在のワクチンは、時間が経っても変化しないHAの小さな尾部とは対照的に、ウイルス膜から突き出た突出部であり、突然変異の影響を非常に受けやすいHA細胞外ドメインを攻撃するように開発されている。
NIH の助成金が学生の研究をサポート
今後 3 年間、国立衛生研究所から 43 万ドルの補助金がヘス研究所と、そこで研究する学部生と大学院生の成功を支援します。ヘス氏は、この助成金の本質は細胞膜に存在する3つのリン酸塩のうちの1つであるPI4Pを研究することであると述べた。
リン酸塩 PIP2 は、いくつかの異なるウイルスによって引き起こされる感染症に関与していることが知られていますが、PIP2 のみを標的とする治療法ではウイルスを完全に阻止することはできません。ヘス氏と彼の学生たちは、PI4Pが細胞の感染にどの程度関与しているのか、PI4PとPIP2が連携しているのかどうかを研究している。
超解像顕微鏡や蛍光分光法の使い方を学ぶことで、学生は雇用主に目立つための経験も積むことができます。
学部生のティアンス・ヤンさんのような物理学を学ぶ学生は、ヘス研究室での経験を活用して、生物物理学、つまり物理学の原理を生物システムの理解に適用する科学の分野でのキャリアを追求することができます。
生物物理学の重要な研究分野である分子動力学に焦点を当てているヤン氏は、研究室での研究を活用して上級キャップストーン プロジェクトを完了する予定です。彼は、インフルエンザと同様の分子構造を持つ、別のウイルス性呼吸器疾患のスパイクタンパク質がどのように PIP と相互作用するかについてシミュレーションを実行し、その結果をチャートやグラフィックで分析しました。
「大学院に行きたいです」とヤンさんは言った。 「この知識は役に立ちます。より生物医学的な側面に興味を持ちたい場合、有利になるからです。」
大学院生のデビッド・ウィンスキーはヘス研究室で 5 年半働いており、論文を提出して春に卒業する準備をしています。その後、彼は生物物理学の研究に専門的に取り組む予定です。彼はヘスと協力して HA 結合尾部の突然変異を実行し、それを超解像度顕微鏡で画像化し、ニュートンの運動の法則を適用して原子レベルでシミュレーションしました。
ウィンスキーはまた、学部生（その多くは物理学を専攻）に、基礎的な生物学とそれが物理学の研究にどのように応用されるかを教えています。研究室での生物学では、細胞のプロセスと人体の中で何が起こっているかに焦点を当てていますが、物理学の研究では、学生は実験とシミュレーションの結果を分子モデルに組み合わせることで何が起こっているかを視覚化できます。
「私たちはこれをインフルエンザと（HA）急増に適用するだけでなく、より広範囲に適用しようとしている」とウィンスキー氏は語った。 「インフルエンザでわかったことを、世界中の他のウイルスにも応用できるでしょうか？何とかしてこれをさらに幅広くして、潜在的に、理想的には万能ワクチンを考え出すことはできないだろうか？」
連絡先: アシュリー・イェーツ;アシュリー[email protected]
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