Sünteetilised viirused

Sünteetilised viirused on geenisünteesi ja molekulaarbioloogia meetodite abil loodud viirused, mis kujutavad endast kas looduses esinevate või väljasurnud viiruste täpseid koopiaid, nende modifitseeritud variante ja/või kimääre. Tehnoloogiliselt on võimalik luua igasuguse suuruse ja elutsükliga viirusi. Täiesti uute viiruste, millel puuduvad looduses esinenud/esinevad analoogid, loomine ei ole tänapäeval võimalik: sobiv tehnoloogia on küll olemas, kuid piiravaks teguriks on puudulikud teadmised viiruste ja nende kodeeritud saaduste toimemehhanismide kohta peremeesorganismis.

Põhimõte ja tehnoloogia

Sünteetiliste viiruste valmistamist võimaldab asjaolu, et viirustel puudub eelaste ja järglaste vahel materiaalne side. Kui rakkude puhul kantakse vanemrakult tütarrakule üle suur hulk ainet (raku pooldumisel ligikaudu pool vanemrakus olnud materjalist), siis viiruste on vajalik vaid informatsiooni ülekanne ning rakust väljuvas viiruse partiklis ei pruugi olla ühtegi rakku sisenenud „vanemalt“ pärinevat aatomit. Kuna ülekantav on vaid informatsioon, on seda suhteliselt lihtne kopeerida. Kopeerimist hõlbustab asjaolu, et reeglina on viiruste genoomid suhteliselt väikesed (5000 – 200 000 kiloalust/aluspaari).

Väikeste viiruste virionidel on fikseeritud keemiline koostis, mida saab väljendada tavalise valemiga; näiteks on lastehalvatust põhjustava polioviiruse virioni keemiline valem C_332.652H_492.388N_98.245O_131.196P_7.501S_2.340. Sellise keerukuse tasemega ühendite süntees katseklaasis ei ole võimalik ega praktiline. Seetõttu on kõikide sünteetiliste viiruste puhul kasutusel järgnev lähenemine. Esiteks, kasutades nukleiinhappe sünteesi meetodeid valmistatakse kõigepealt koopia viiruse genoomist. Polioviiruse puhul koosneb see 7501 nukleotiidijäägist ja selle süntees on, arvestades, et nukleiinhapped koosnevad vaid neljast erinevast nukleotiidijäägist, tehniliselt suhteliselt lihtne. Teiseks, kuna viiruse genoom sisaldab kogu viiruse geneetilist informatsiooni, tekitatakse selle rakku viimise teel uus viiruste põlvkond; seda protsessi nimetatakse „viiruse vabastamiseks“. Viiruse vabastamine on lihtne nende viiruste puhul, mille genoomid või nende koopiad on infektsioonilised. Sellised on rakutuumas replitseeruvad DNA genoomsed viirused, retroviirused ja positiivse polaarsusega RNA-viirused. Viiruse vabastamine on mõnevõrra keerulisem juhul, kuid viiruse paljas genoom ei ole infektsiooniline – sellised on kaheahelalise RNA genoomiga viirused, negatiivse polaarsusega RNA-viirused ja tsütoplasmas replitseeruvad DNA genoomiga viirused. Nende viiruste vabastamiseks on vaja kasutada ka viiruse valke tootvaid plasmiide ja/või abi-viirust.

Ajalugu

Viiruste genoomide süntees „katseklaasis“ muutus võimalikuks seose DNA fragmentide – oligonukleotiidide – sünteesi meetodite kasutuselevõtmisega. Esimene sünteetiline viiruse genoom, mille pikkuseks oli 1291 nukleotiidijääki, pandi oligonukleotiide kasutades kokku 1992. aastal^[1]. Kuna 1990. aastate alguses oli oligonukletiidide süntees kallis ja aeganõudev, siis oli seda ka viiruse genoomide kokkupanek. Oligonukleotiidide sünteesi meetodite edasiarenemine võimaldas muuta seda lihtsamaks; nii sünteesiti 2002. aastal oligonukleotiididest 7501 aluse pikkuse polioviiruse genoomi koopia^[2] ja 2003. aastal 5386 aluse pikkune bakteriofaagi φX174 genoomi koopia^[3]. φX174 genoomi sünteesimisel võeti kasutusele uued lähenemised, mis võimaldasid sünteesi protsessi oluliselt kiirendada – see viidi läbi 10–14 päevaga. Genoomi koopiast vabastatud polioviirus ja bakteriofaag φX174 olid infektsioonilised ja ei erinenud selles osas looduslikest viirustest. Järgnevatel aastatel arendati välja ja võeti kasutusele automatiseeritud geenisünteesi meetodid; sellega on kaasnenud sünteetilise DNA hinna ligi 100-kordne vähenemine (2019. aastal 0,07 dollarit aluspaari kohta) ja sünteetiliste viiruste genoomide massiline valmistamine. Märgilise tähtsusega saavutustest võib nimetada 1918. aasta Hispaania gripiviiruse taas-sünteesi 2005. aastal^[4] ja hobuste rõugete vaktsiini sünteesi 2018. aastal^[5]. Tänapäevane tehnoloogia võimaldab väikese genoomiga viiruse (näiteks gripiviiruse) genoomi koopia sünteesi ja selle abil viiruse vabastamise läbi viia väga lühikese aja (umbes 2–3 ööpäeva) jooksul.

Sünteetiliste viiruste kasutamine

Sünteetilised viirused ja nende tootmise tehnoloogiad on peamiselt kasutusel viiruste uurimisel. Need lähenemised võimaldavad kiiresti kokku panna soovitud viiruste genoome, tekitada nendesse soovitud mutatsioone ja geneetilisi ümberkorraldusi. Samuti on sünteetilised viirused hea võimalus viiruste tekitamiseks olukorras, kui infektsioonilise viiruse traditsiooniline isoleerimine ei ole võimalik. Lisaks „tavalistele“ geenitehnoloogia võtetele avab sünteetiliste viiruste tehnoloogia täiesti unikaalseid võimalusi, eelkõige massilise paralleelse mutageneesi (kümnete kuni tuhandete mutatsioonide samaaegne sisseviimine viiruse genoomi) ja mutantsete viiruste raamatukogude valmistamise näol.

Juba esimesed sünteetiliste viirustega teostatud tööd nägid ette võimalused rakendada seda tehnoloogiat praktiliste eesmärkide saavutamiseks. Järgnevalt on seda kasutatud viirustel põhinevate biotehnoloogiliste süsteemide loomiseks ja täiustamiseks, vaktsiinikandidaatide, seal hulgas kimäärsete viiruste ja massilise sünonüümse mutageneesi abil nõrgestatud viiruste genoomide konstrueerimiseks. Tänapäeval on sünteetilised viirused kiireim ja efektiivseim võimalus ratsionaalselt kavandatud vaktsiinikandidaatide loomiseks; samuti ka muudeks meditsiinilisteks eesmärkideks kavandatud viiruste (näiteks onkolüütiliste viiruste) prototüüpide valmistamiseks.

Tehnoloogia väärkasutamise võimalused

Sünteetilise viirused ja nende loomise tehnoloogia on tekitanud teaduse eetikat puudutavaid küsimisi ning nii põhjendatud kui ka põhjendamata kartusi. Nii polioviiruse^[6], Hispaania gripiviiruse^[7] kui ka hobuste rõugeviiruse^[8] süntees põhjustas reaktsiooni nii teadlaskonnas kui ka avalikkuses. Põhjendamata kartuseks võib pidada võimalust, et luuakse põhimõtteliselt uusi viirusi, millel on kas ettearvamatud või teadlikult programmeeritud kahjulikud omadused (näiteks inimeste zombideks muutmine filmi „Ma olen legend“ stiilis). Põhjendatud kartused seisnevad selles, et sünteetiliste viiruste tehnoloogiat kasutades võib taasluua meditsiiniliselt ohtlikke viirusi (eelkõige inimese rõugeviirus) ja/või nende eriliselt ohtlikke mutantseid variante. Olulisi probleeme võib põhjustada ka inimesele ohutute, kuid näiteks põllumajandusele üliohtlike patogeenide nagu suu- ja sõrataudi viirus süntees. Kuna suu- ja sõrataudi viirus on rõugeviirusest palju väiksem, siis on sellise viiruse kokkupanemine ja vabastamine väga lihtne ja odav; suurusjärgus paari tuhat eurot. Samas põhjustab sellise viiruse ilmumine põllumajanduspiirkonnas kahjusid, mis on sigade Aafrika katku viiruse tekitatust suurusjärkudes suuremad: näiteks tekitasid väga piiratud suu- ja sõrataudi puhangud Ühendkuningriigis miljarditesse naelsterlingitesse ulatuvaid kahjusid.

Probleem seisneb kasutatava tehnoloogia lihtsuses ja tõhusa kontrolli puudumises. Informatsioon viiruste järjestuste kohta on andmebaasides vabalt kätte saadav. Kord juba välja töötatud ja kirjanduses avaldatud meetodeid kasutades on sünteetilise viiruse tekitamine võimalik igas koekultuuri tehnoloogiat kasutavas laboris ja, mõningase varustuse muretsemise korral, isegi kodustes tingimustes. Hetkel seisneb kontroll selles, et sünteetilist DNAd tootvad ettevõtted kontrollivad neilt tellitud järjestusi (kas neis sisaldub patogeenide järjestusi) ja tellijate tagapõhja (kas on tegemist teadlastega, kelle töö seisneb nende viiruste uurimises). Samas on sellise kontrolli efektiivsus küsitav; nii on sünteetilise viiruse genoomi tükke õnnestunud tellida ka ajakirjandusliku eksperimendi korras; ka ei välista praegune kontroll „hullu teadlase“ võimalust. Suuremad riskid on seotud sünteesi tehnoloogia enda (DNA sünteesi seadmed) sattumisega isikute kätte, kes võivad seda vääralt kasutada; siingi toimub sarnane „taustakontroll“. Täielikult puudub kontroll sünteetiliste genoomide alusplokkide – oligonukleotiidide – tootmise ja tarnimise osas. Ka nendest annab – ehkki aeglasemalt ja mõnevõrra suuremat teadmiste/oskuste pagasit kasutades – kokku panna inimesele (või loomadele) ohtlike viiruste genoome.

Viited

↑ Chernov, B.K., Merits, A., Mizenina, O.A. and Morozov, S.Yu. (1992). Chemico-enzymatic synthesis and cloning a full length genome of DNA containing plant virus. Bioorganic Chemistry, 18, 1487–1495.
↑ Cello, J., Paul, A.V. and Wimmer, E. (2002). Chemical synthesis of poliovirus cDNA: generation of infectious virus in the absence of natural template. Science, 297, 1016–1018.
↑ Smith, H.O., Hutchison, C.A., Pfannkoch, C. and Venter, J.C. (2003). Generating a synthetic genome by whole genome assembly: phiX174 bacteriophage from synthetic oligonucleotides. Proc Natl Acad Sci U S A., 100, 15440-15445.
↑ Tumpey, T.M., Basler, C.F., Aguilar, P.V., Zeng, H., Solórzano, A., Swayne, D.E., Cox, N.J., Katz, J.M., Taubenberger, J.K., Palese, P. and García-Sastre, A. (2005). Characterization of the reconstructed 1918 Spanish influenza pandemic virus. Science, 310, 77–80.
↑ Noyce, R.S., Lederman, S. and Evans, D.H. (2018). Construction of an infectious horsepox virus vaccine from chemically synthesized DNA fragments. PLoS One. 13(1):e0188453. doi: 10.1371/journal.pone.0188453
↑ Block, S.M. (2002). A not-so-cheap stunt. Science, 297, 769–770
↑ Kennedy, D. (2005). Better never than late. Science, 310, 195.
↑ Koblentz, G.D. (2018). A Critical Analysis of the Scientific and Commercial Rationales for the De Novo Synthesis of Horsepox Virus. mSphere, 3, doi: 10.1128/mSphere.00040-18.

[viide1-1] Chernov, B.K., Merits, A., Mizenina, O.A. and Morozov, S.Yu. (1992). Chemico-enzymatic synthesis and cloning a full length genome of DNA containing plant virus. Bioorganic Chemistry, 18, 1487–1495.

[viide2-2] Cello, J., Paul, A.V. and Wimmer, E. (2002). Chemical synthesis of poliovirus cDNA: generation of infectious virus in the absence of natural template. Science, 297, 1016–1018.

[viide3-3] Smith, H.O., Hutchison, C.A., Pfannkoch, C. and Venter, J.C. (2003). Generating a synthetic genome by whole genome assembly: phiX174 bacteriophage from synthetic oligonucleotides. Proc Natl Acad Sci U S A., 100, 15440-15445.

[viide4-4] Tumpey, T.M., Basler, C.F., Aguilar, P.V., Zeng, H., Solórzano, A., Swayne, D.E., Cox, N.J., Katz, J.M., Taubenberger, J.K., Palese, P. and García-Sastre, A. (2005). Characterization of the reconstructed 1918 Spanish influenza pandemic virus. Science, 310, 77–80.

[viide5-5] Noyce, R.S., Lederman, S. and Evans, D.H. (2018). Construction of an infectious horsepox virus vaccine from chemically synthesized DNA fragments. PLoS One. 13(1):e0188453. doi: 10.1371/journal.pone.0188453

[viide6-6] Block, S.M. (2002). A not-so-cheap stunt. Science, 297, 769–770

[viide7-7] Kennedy, D. (2005). Better never than late. Science, 310, 195.

[viide8-8] Koblentz, G.D. (2018). A Critical Analysis of the Scientific and Commercial Rationales for the De Novo Synthesis of Horsepox Virus. mSphere, 3, doi: 10.1128/mSphere.00040-18.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]