A Deinococcus radiodurans nevű extremofil baktériumot 1956-ban véletlenül fedezték fel az Oregon Állami Egyetemen, amikor a mikroba tönkretett egy gammasugár-kísérletet, amely során egy húskonzerv tartalmát próbálták csírátlanítani. A hús megromlott, a D. radioduransról pedig kiderült, hogy nagyon ellenálló az ionizáló sugárzással szemben: a baktérium akár 5000 gray sugárdózist is kibír, ami nagyjából 150-szerese az emberre halálos mennyiségnek.
A D. radiodurans az extremofilok, vagyis a szélsőséges körülményeket átvészelni képes élőlények között is különleges számít, ugyanis akkor is túlél, sőt, jól érzi magát, ha a környezet több szempontból is komoly kihívást kínál a legtöbb organizmus számára. A toxikus vegyszereknek, az erős savaknak, a forróságnak és a nagy hidegnek is ellenáll a sugárzáson kívül, és felfedezése óta a világ számos gyakorlatilag élhetetlennek gondolt részén megtalálták már.
A baktérium ugyanúgy előfordul az atomerőművek hűtőtartályaiban, mint az Antarktisz száraz völgyeinek kopár gránitján, de a Nemzetközi Űrállomás külsején is képes volt túlélni.
Hogy hogyan képes erre, az sok szempontból még mindig rejtély a mikrobát kutató apró nemzetközi közösség tagjai előtt is. A mikroba kapcsán ugyanakkor számos kérdést már sikerült megválaszolni a tudósoknak, ami az egyik oka annak, hogy ennyire kevesen kutatják az élőlényt. Annak a rejtélyét, hogy mitől olyan ellenálló a sugárzásnak, például már sikerült szinte teljesen megfejteni, olyannyira, hogy eredményesen építettünk is erre a tudásra, mondja Mike Daly, a Pentagon által irányított egyik orvosi egyetem molekuláris biológusa, aki évtizedek óta foglalkozik a baktériummal.
A fehérjék védője
A NASA és az amerikai tudományos akadémia az elmúlt évek során sokszor fordult tanácsért Daly-hez, hogy hogyan fertőtlenítsék úgy az űreszközöket, hogy azokról a D. radiodurans is eltűnjön, és ne kontamináljon más égitesteket. A baktérium azonban különleges tulajdonságai komoly miatt praktikus haszonnal is bír. Daly például létrehozott egy olyan törzset belőle, amely radioaktív hulladékok ártalmatlanítására alkalmas, mivel az erősen mérgező króm VI-ot ártalmatlan krómmá alakítja, és a toluol-szennyeződéseket is képes biztonságosabb molekulákra bontani. A módszert a hanfordi nukleáris telepen alkalmazzák is a hulladék feldolgozására.
Az utóbbi pár évben Dally és társai egy új kutatási irányra kezdtek összpontosítani: azt vizsgálják, hogyan lehetne a D. radioduransszal kapcsolatos ismereteket gyorsabb, olcsóbb és biztonságosabb vakcinák előállítására használni. A kutatók nemrégiben közétettek egy vonatkozó tanulmányt, amelyben egy járványos gyermekbénulás (polio) elleni inaktivált vakcina létrehozásáról számoltak be. A projekten a Nemzeti Rákintézet egykori kutatói által alapított Biological Mimetics nevű céggel együtt dolgoztak a szakértők. A kezdeményezés érdekessége, hogy az elviekben más védőoltások kifejlesztéséhez is mintául szolgálhat.
Az új vakcinagyártási módszer a D. radiodurans azon mechanizmusán alapul, amellyel a baktérium megóvja magát az ionizáló sugaraktól. A szakértők évtizedekig azt hitték, hogy ezt valamiféle aktív sejtszintű védekezés révén valósítja meg a mikroba, majd a DNS- és RNS-javító fehérjék kijavítják az esetlegesen mégis elszenvedett hibákat.
Daly kutatócsoportja azonban feltárta, hogy a védekezés sokkal kevésbé célirányos: a baktérium első körben a javító proteinek védelmére fókuszál, miközben ezek folyamatosan újjáépítik a genomot.
A gammasugarak és a röntgensugarak energetizálják és lebontják a sejtekben lévő vízmolekulákat, erősen reaktív oxidatív összetevőket képezve felszabaduló hidrogén- és oxigénionokból. Ezek aztán sejtszerte problémákat okoznak, a szervecskékben és a hasznos makromolekulákban egyaránt. A D. radiodurans javító fehérjéinek megmentése érdekében egy speciális antioxidánst termel, amely pozitív töltésű mangánt tartalmaz. Ahogy Daly és társai igazolták, ezek a mangánkomplexek nagyon hatékonyan védik meg a javító fehérjéket a sugárzás nyomán jelentkező oxidálódástól. A DNS-t és az RNS-t ugyanakkor nem védelmezik, és pontosan ez adta az ötletet a kutatóknak ahhoz, hogyan lehetne új módon vakcinákat előállítani.
Egy védőoltás azért működik, mert hasonlít a fertőző mikrobára, ami ellen „véd”, így képes felkészíteni az immunrendszert a tényleges kórokozó azonosítására és elpusztítására, maga ugyanakkor nem okoz károkat a testben. Ezt sok esetben még ma sem egyszerű megvalósítani. 2012-ben például az amerikai járványvédelmi központ 42 ezer új szamárköhögéses esetet regisztrált, ami 1955 óta a legnagyobb esetszám volt. A háttérben nem az elégtelen orvosi ellátás, az oltásellenesség vagy egy ellenállóbb baktériumtörzs állt, hanem egy megbízhatatlan, a bakteriális töredékekből nem megfelelően „összerakott” védőoltás.
Szellem a palackban
Daly elmondása szerint a mangán antioxidánsokkal megvalósítható, hogy az ember kitenyészt egy patogént, majd kiírtja annak a genomját (akár RNS, akár DNS adja a géneket), miközben megőrzi mindazok struktúrákat, peptideket és más összetevőket, amelyek a vírus vagy baktérium felszínét alkotják. Mintha az igazi kórokozó szellemét gyártaná le.
Napjainkban a védőoltás-fejlesztés világrekorderének még mindig Jonas Salk számít, aki hat év alatt hozta létre a szamárköhögés elleni vakcinát. Ebből négy év alapkutatás volt, amely Daly módszerével jelentősen lerövidíthető lehet, két év pedig klinikai vizsgálatokkal telt, amelyeken viszont nem nagyon, vagy csak drasztikus eszközökkel, például a beoltott vizsgálati alanyok szándékos megfertőzésével lehet rövidíteni.
A védőoltás-fejlesztés a hagyományos és az újabb módszerekkel is időbe telik. Az újabb, hatékonyabb és olcsóbb, a vírus egyik jellegzetes töredékén alapuló, azt rekombináns DNS-sel létrehozó vakcinákhoz meg kell határozni, hogy a patogén mely része képes aktiválni az immunrendszert, úgy, hogy közben nem károsítja azt. A hagyományosabb módszerekkel, amelyek a teljes vírus inaktív változatával dolgoznak, a „nyomozás” egy részét meg lehet spórolni, viszont itt is ügyelni kell arra, hogy a hővel vagy kémiai úton történő ártalmatlanítás során olyan felszíni fehérjék ne károsodjanak, amelyek kulcsfontosságúak a patogén felismeréséhez és a megfelelő immunválaszhoz.
Daly és csapata viszont egy olyan módszeren dolgozik, amellyel az említett lépések java kihagyható. A mangán oxidánsok gyakorlatilag egy inaktivált patogént hagynak hátra, amelynek szinte egyáltalán nem sérültek a felszíni fehérjéi. Ez pedig a védőoltásokon dolgozó független szakértők szerint is óriási előrelépést jelenthet a területen, különösen most, a COVID-19 világjárvány idején.
Az egyetlen rizikós része a módszernek, hogy a védőoltás nagy mennyiségben való legyártásához először óriási mennyiségben kell előállítani a patogéneket, aminek megvan a kockázata.
Nem véletlen, hogy egyelőre egyik vakcinán dolgozó kutatócsoport sem próbálkozott a vírusrészecske tömeges előállításával. Tény ugyanakkor, hogy a jelenleg legelőrébb járó vakcinajelöltek is olyan új módszereken alapulnak, amelyek még sosem eredményeztek engedélyezett gyógyszert vagy védőoltást. És Daly módszerének ezekhez képest megvan az az előnye, hogy nemcsak egy vagy két antigénre specializált, hanem a teljes vírusra, így ezzel hatásosabb a vírus mutálódása által kevésbé veszélyeztetett védőoltás állítható elő.
Vírusokra ideális?
Daly kritikusait elsősorban a radiobiológusok között találjuk, akik bár a kutató meggyőző eredményei hatására mostanra elfogadták, hogy a D. radiodurans valóban a már ismertetett módon védekezik a sugárzás ellen, most azt állítják, hogy a mangánkomplexes oxidánson kívül ebben a folyamatban valószínűleg más is szerepet játszik. Így az oxidáns egyedüli alkalmazása szerintük nem feltétlenül lesz elég a patogének „szellemmé” változtatásához. Hogy kinek van igaza, azt egyelőre nem tudni. Tény, hogy a terület legnagyobb szakértői és
maga Daly sem érti egyelőre, hogy a mangánkomplexek miért védik a fehérjéket, és miért nem védik a nukleinsavakat.
Daly vonatkozó teóriája az, hogy az ionizáló sugárzás során keletkező reaktív szabadgyökök legjelentősebbike, a szuperoxid kémiailag sem DNS-sel, sem az RNS-sel nem reagál, de a fehérjékkel annál inkább. A D. radioduransban azonosított mangánkomplexek és ezek Daly csapata által előállított, szintetikus megfelelői viszont elsősorban a szuperoxidtól védenek, a többi szabadgyöktől nem. Így a fehérjék megmaradnak, a többi reaktív molekula viszont károsítja a genetikai állományt.
Ami az RNS-vírusokat illeti, ezek esetében a mangánkomplex csak a külső fehérjeburkot képes védeni, mivel ezen nem tud áthatolni. Így az RNS a sugárzás nyomán használhatatlanná válik, és csak a vírus burka marad hátra, amely önmagában nem képes károkat okozni, viszont az immunrendszer felkészítéséhez kiváló eszközt jelenthet.
Mindez persze nem csak a SARS-CoV-2 ellen lehet használható. Az utóbbi évek a több milliárd dolláros támogatása ellenére sem sikerült a malária ellen megbízható védőoltást kifejleszteni. A betegség 2018-ban 405 ezer ember halálát okozta, akik többsége 5 éven aluli gyerek volt. Az emberi légúti óriássejtes vírus (HRSV) évente 250 ezer embert öl meg, és nincs ellene specifikus vakcina. Ahogy a chikungunya-láz, a HIV és a hepatitis C ellen sem létezik klinikailag igazoltan működő megelőző terápia.
Villámgyors inaktiváció
Daly módszerével elvileg némi sugárzással, a már említett mangánkomplexekkel és megfelelő számú kitenyésztett kórokozóval ezek közül bármelyik betegség esetében létre lehetne hozni egy működő védőoltást, ráadásul sokkal gyorsabban, mint a jelenleg alkalmazott módszerekkel.
A metódusnak persze megvannak a veszélyei is, így ezzel sem lehet majd hetek vagy hónapok alatt igazoltan működő és biztonságos védőoltást előállítani. Nem biztos például, hogy a külső fehérjék mindegyikének meghagyása mindig ártalmatlan végeredményhez vezet, főleg a baktériumok esetében. A meticillin-rezisztens Staphylococcus aureus (MRSA) baktérium kapcsán például egy 2012-es vakcinafejlesztő vizsgálat során kiderült, hogy ha túl sok felszíni fehérjét hagynak meg épségben a baktérium inaktiválásakor, nagyon sok citokin termelődéséhez vezethet a kísérleti állatokban, ami végzetes gyulladási folyamatot indíthat be.
Az MRSA ugyanakkor ilyen szempontból kiemelkedően bonyolultnak tűnik. A jelek szerint ezen baktérium esetében nagyon kell vigyázni, hogy milyen immunválasz következik be a kezelés nyomán, ha ugyanis nem a megfelelő folyamat indul be, az a beteg állapotának romlásához vezet. Daly metódusát így elsőre valószínűleg vírusokon próbálhatják ki, mivel ezek sokkal kevésbé összetettek, így a rendszert is könnyebb célzottan megbontani.
Daly kutatócsoportja eddig a szamárköhögés vírusának két törzse ellen hozott létre ilyen módon vakcinát, illetve két másik RNS-vírus kapcsán, a venezuelai agyhártyagyulladás vírus és a chikungunya-láz kórokozója ellen is sikerrel jártak. Az eddigi tapasztalatok alapján a koronavírusokat méretük miatt enyhébb besugárzással lehet majd hatástalanítani, mint Daly eddigi célpontjait. A hasonló kísérletek során a gammasugárzást általában kobalt-60-ból nyerik, ami meglehetősen drága és veszélyes is, így a kutatók azon is elkezdtek dolgozni, mivel lehetne helyettesíteni a sugárforrást.
A szamárköhögés elleni vakcina létrehozásakor így egy 30 másodperces ultraibolya-megvilágítás is elégnek bizonyult. Összevetésképpen a hagyományos, kémiai alapú inaktiválás kettő-négy hetet vesz igénybe.
***
A mangánkomplexek lehetséges alkalmazása persze nem merül a vakcinagyártásban. Egy 2016-os kutatásból például kiderült, hogy Daly szintetikus antioxidánsai egereknek beadva képesek ezeket megvédeni a kozmikus sugárzás káros hatásaitól, miközben semmiféle mellékhatást nem váltottak ki. A mangánkomplexszel kezelt rágcsálók 9,5 gray sugárdózist is túléltek, miközben a kezeletlen kontrollcsoport tagjainak több mint fele egy hónapon belül elpusztult. Így a módszer például a mélyűri utazások során is hasznosulhat, de akár abban is segíthet, hogy a rákbetegek egészséges sejtjeit megóvja a kezelések során.
Ahhoz, hogy Daly és társai eredményeiből tényleges terápiák és védőoltások szülessenek, még sok munkára van szükség, hiszen egyelőre minden kutatásuk a preklinikai fázisban jár, azaz embereken még nem próbálták ki az új módon készült vakcinákat. Daly szerint ugyanakkor óriási lehetőségek rejlenek a metódusban, és ezeket akár most rögtön is ki lehetne aknázni a SARS-CoV-2 ellen.
A mangánkomplexeket egyáltalán nem nehéz szintetizálni, és a legtöbb nagy labor rendelkezik besugárzó készülékekkel, így ha egy, a vírust amúgy is kutató és ezért azt tenyészteni képes intézmény meg akar próbálkozni az inaktiválással, ennek semmi akadálya nincsen. A módszerrel kapcsolatos minden információt publikáltak a kutatók, így teljesen szabad a pálya, hangsúlyozza Daly.
