:format(webp)/nginx/o/2019/07/10/12351150t1h01e8.jpg)
:format(webp)/nginx/o/2021/02/12/13626825t1h0086.png)
Halvas on alati ka head – koroonaviiruse pandeemia tuules on tõusnud tähelepanu alla meditsiinitehnoloogia, mis võib muu hulgas murda ravimitööstuste selgroo. Revolutsiooni eesliinil töötavad ka Tartu Ülikooli teadlased.
Seoses Moderna ja Pfizeri/BioNTechi uudsete ja rekordkiiresti valminud vaktsiinidega on tõusnud pea kõigi asja vastu huvi tundvate inimeste tähelepanu alla käskjalg-RNA ehk mRNA. Vaktsiinide seas on need nn geenipõhised vaktsiinid oma toimemehhanismi tõttu uued tulijad.
Kuid vaktsiinid on vaid väike osa võimalustest, mida selle molekuli kasutamaõppimine inimkonnale pakkuda tõotab. Juba aastakümneid koolitundides põgusalt mainitud molekul on tõusnud biotehnoloogias kuumaks teemaks, kinnitavad eksperdid.
«Igal juhul on see kuum teema ja mõnes mõttes analoogne CRISPRiga – see on looduses olev asi, mida me õpime nüüd aina rohkem ja rohkem oma vajadusele vastavalt kasutama,» ütleb Tartu Ülikooli molekulaar- ja rakubioloogia doktorant Ermo Leuska, kelle töö just mRNAga seotud ongi.
Meeldetuletuseks: CRISPR-Cas9 on ülitäpne geenitehnoloogia, mis on viimase viie aasta jooksul põhjustanud eluteadustes revolutsiooni ning toonud selle kaasavastajatele Jennifer Doudnale ja Emmanuelle Charpentier’le ka läinud aasta keemia Nobeli preemia. Kui mõnede avastuste puhul antakse auhind aastakümneid pärast esialgset avastust, siis CRISPRi murrangulisus on niivõrd suur, et preemiagi anti vähem kui kümme aastat pärast laureaatide töö algust.
Sünteetilise mRNA tehnoloogiate puhul pole revolutsioon aga kaugeltki nii kiiresti käinud. Nagu on kirjutanud biotehnoloogiale keskenduvad ajakirjanikud Damian Garde ja Jonathan Saltzman, on mRNA praeguse eduloo taga pea kolm aastakümmet kestnud ennast ja ebasoosingut trotsivad teadustööd, täis ootamatuid heureka-momente ja tagasilööke.
Ebasoosing ja äraütlemised
Lugu ise algab kolmkümmend aastat tagasi vähetuntud teadlase hullumeelse ideega. 1990ndate alguseks oli USAs tegutsev Ungari päritolu biokeemik Katalin Karikó jõudnud oma teadustöös peaaegu tupikusse. Ta oli veendunud, et mRNAd on võimalik haiguste vastu ära kasutada, kuid auhindade asemel kogus ta pigem rahastustaotluste äraütlemisi ja teadusmaailma ebasoosingut. Seda seetõttu, et tema idee tundus kõigile liiga pöörane, tolle aja tingimustes täiesti teostamatu.
/nginx/o/2021/02/12/13626840t1he11d.jpg)
Põhimõte ise on näiliselt lihtne: selle asemel, et viia inimese rakkudesse keeruliste ja tihti ka ohtlike meetoditega raviks vajalikke valke, võiks raku enda protsessid soovitud viisil tööle panna. Teatavasti on kõigi inimkeha miljonite valkude valmistamise «retsept» kirjas DNAs. DNA-l on aga olemas vähem tuntud lähisugulane RNA, mis on bioloogilistes protsessides tihti olulisemgi. Suurema osa ajast ei tee DNA õigupoolest suurt midagi. Ta on nagu üsna passiivne andmebaas, mis sisaldab infot kogu elutegevuse kohta, muu hulgas ka sellest, kuidas valke teha. Valkude valmistamise töö teeb suures jaos aga ära just RNA.
Valgud ise pannakse koostisosadest kokku aga ribosoomis, mis omakorda koosnebki 60 protsendi ulatuses RNAst. Teadusrevolutsiooni kangelane mRNA – inglise keeles messenger RNA ehk käskjalg-RNA – on selles protsessis vahelüli, mis toob ribosoomile DNA pealt loetud info selle kohta, millise valgu järele vajadus on.
/nginx/o/2021/02/12/13626836t1ha392.jpg)
Mõnes mõttes on 2021. aasta mRNA juubel. Näiteks täitub 60 aastat sellest, kui ennekõike DNA kaksikheeliksi kuju avastajana tuntud James Watson ja kolleegid selle molekuli olemasolu tuvastasid.
«See oli suur avastus, mida ei ole kunagi Nobeli preemia vääriliseks peetud,» ütleb Tartu Ülikooli molekulaarbioloogia teadur Margus Leppik.
«RNA maailm tegelikult mingis mõttes palju huvitavam kui DNA,» lisab tema juhendatav Ermo Leuska. «Kui tuua analoog arvutite maailmast, on DNA nagu kõvaketas, mis sisaldab lihtsalt suurt hulka informatsiooni, millest enamikku ei lähe peaaegu mitte kunagi vaja. RNA on aga nagu operatiivmälu, kus käib kogu tegevus, kogu elu. Seal saab panna programme käima, ilma et DNAd üldse puutuma peaks.»
/nginx/o/2021/02/12/13626838t1h65d2.png)
Karikó uskus, et kui oleks võimalik luua vajaliku valgu infot kandev mRNA, peaks olema võimalik panna ribosoomi tootma millist valku tahes, kasvõi sellist, mille infot inimese DNAs üldse ei leidugi.
«Saime kohe aru, et see on midagi väga olulist, mida saaks kasutada nii vaktsiinide kui ka teraapiate väljatöötamiseks. Avaldasime selle kohta teadusartikli, andsime sisse patenditaotluse, asutasime firma ja siis... põrkusime täieliku huvipuudusega.»
Tegelikkuses on selline operatsioon mõistagi palju keerulisem: organism tunneb sisestatavas mRNAs kohe ära võõrkeha ja asub seda hävitama, tekitades immuunreaktsiooni käigus potentsiaalselt veel ka paksu pahandust. Karikó uskus, et sellest takistusest on võimalik üle saada, aga ei leidnud oma hullumeelsele ideele kuigi palju kaasamõtlejaid. Ega ka rahastust, mis viis aastatepikkuse virelemiseni ning lõpuks ka selleni, et alandati tema ametipositsiooni professorina.
Maailma meediast võib leida rohkelt kirjeldusi meeleheitele viivast viletsusest olukorras, kus paberil paljutõotavad katsed laboris lihtsalt ei töötanud.
Aegamööda hakkasid eksperimendid siiski õnnestuma ning temaga aastast 1997 koostööd teinud meditsiiniteadlase Drew Weissmanniga koos leitigi mRNA Achilleuse kand. Nimelt koosnevad nukleiinhapped nagu DNA ja RNA neljast ehituskivist ehk nukleosiidist. Enamasti tähistatakse neid tähtedega, nagu näiteks DNA puhul A, C, G ja T. RNA puhul on nendeks adenosiin (A), tsütidiin (C), guanosiin (G) ja uridiin (U).
/nginx/o/2021/02/12/13626826t1h5d5a.png)
Karikó ja Weissmani heureka-moment oli 2000. aastate alguses, kui ta luges ühest teadustööst, et immuunsüsteemi retseptorid võivad seonduda just uridiiniga. Juba mitu aastat varem oli näidatud, et teatud RNA vormides esineb uridiin hoopis modifitseeritud vormis, mille nimi on pseudouridiin. Tegu on põhimõtteliselt sama asjaga, kuid osa molekulist on lihtsalt peegelpilti pööratud. Selle modifikatsiooni tagajärjel saab tekkida üks vesinikside rohkem ning see võib muuta kogu mängu. Karikó ja Weissmanni geniaalne idee oligi asendada uridiinid pseudouridiinidega.
/nginx/o/2021/02/12/13626839t1h4c8d.jpg)
«Pseudouridiini puhul on ühes kohas üks vesinikusideme doonor rohkem, mistõttu saab ta moodustada kahe vesinikusideme asemel kolm sidet – tal oleks nagu kahe käe asemel kolm kätt –, aga ka molekul ise liigub rakusupis teistmoodi,» selgitab Leuska.
Kui Karikó ja Weissmann oma mRNAd veidi modifitseerisid ning uridiinid pseudouridiinidega asendasid, õnnestuski kogu asi tööle saada. Märkimisväärne on, et looduslikus mRNAs tehti pseudouridiini olemasolu kindlaks alles kuus aastat hiljem.
«Saime tol hetkel kohe aru, et see on midagi väga olulist, mida saaks kasutada nii vaktsiinide kui ka teraapiate väljatöötamiseks. Niisiis avaldasime selle kohta teadusartikli, andsime sisse patenditaotluse, asutasime firma, ja siis... põrkusime täieliku huvipuudusega. Keegi ei kutsunud meid sel teemal isegi ühtegi ettekannet tegema,» meenutas Karikó Wiredile.
Avaldatud artikkel jäi mõnele teadlasele siiski silma. Üks neist oli Derrick Rossi, kes asutas veidi hiljem tänaseks üle maailma kuulsaks saanud Moderna – firma, mille nimigi tähistab modifitseeritud RNAd. Samal ajal asutas Türgi päritolu abielupaar Uğur Şahin ja Özlem Türeci Saksamaal Mainzis uute biofarmaatsia tehnoloogiate firma BioNTech; nad hankisid endale samuti Karikó ja Weissmanni tehnoloogia kasutamise litsentsi.
/nginx/o/2021/02/12/13626827t1h859a.jpg)
Neid kaht firmat liidab arusaamine, et mRNA päralt on tulevik. Ja asi pole sugugi ainult vaktsiinides – samamoodi võib raku oma valgusünteesi süsteemi ära kasutada vähiravis, uudsete teraapiate väljatöötamises, ainevahetushaiguste ravis või biotehnoloogias. Ometigi olid need ettevõtted erinevad – Moderna tõmbas palju tähelepanu ja lubas ravimeid, mida esialgu tootagi ei suutnud. BioNTech püsis aga varjus, avaldas teadusartikleid ja kogus vaikselt hoogu. Kuid eesmärk oli sama.
Kui koroonakriis läinud aasta algul puhkes, olidki Moderna ja BioNTech juba valmis, ning kui uue viiruse genoom nendeni jõudis, kulus vaktsiini valmis tegemiseks vaid mõnikümmend päeva. Võrreldes n-ö klassikaliste vaktsiinide arendamiseks kuluvate kuude, vahel isegi aastatega, valmis vaktsiin välgukiirusel.
Kui nn traditsiooniliste vaktsiinide puhul kulub kaua aega piisavas koguses vaktsiini valmis tegemisele, siis nüüd polnud teadlastel enam viirust ennast vajagi – genoomi järjestusest piisas, et panna arvutis kokku juhised, mille järgi ribosoom saaks toota koroonaviiruse ogavalku, sünteesida kunstlik mRNA, pakkida see rasvakapslisse ja asi valmis saada. Seni on katsed näidanud, et organism tunneb iseenda toodetud ogavalgus võõrkeha suurepäraselt ära ning tekkiv immuunreaktsioon kaitseb hiljem ka päris koroonaviiruse eest.
Esimesed mRNA-vaktsiinid jõudsid kasutusse läinud aasta lõpus ning esimeseks vaktsineerituks sai 91-aastane inglanna Margaret Keenan. Nüüd, umbes viisteist aastat pärast Karikó ja Weissmanni murrangulist eksperimenti, on mainekas briti bioloog Richard Dawkins ja Moderna kaasasutaja Rossi nimetanud Karikód kui võimalikku Nobeli preemia kandidaati. See on pretsedenditu, kuna ärilises mõttes on tegu konkurentidega – aastast 2013 on Karikó töötanud BioNTechi vaktsiiniarenduse juhina, kuna Pennsylvania Ülikool keeldus ikka talle väärilist ametikohta pakkumast.
«Nad ütlesid mulle, et olid koosolekul otsustanud, et ma ei ole õppejõu kvaliteediga. Kui ütlesin neile seepeale, et lahkun, naersid nad mind ja parastasid, et BioNTechil pole isegi veebilehte,» meenutas ta Wiredile. Nüüd, nähes oma aastakümnetepikkuse töö vilju – pretsedenditu efektiivsusega vaktsiine maailma päästmas ja miljarditele immuunsust tagamas –, ei ole ta enam elevil, vaid teda on haaranud lihtsalt suur rahu.
Kuid mRNA revolutsioon on alles algamas ning koroonaviirus on toonud selle molekuli ka investorite tähelepanu alla.
«Praegu kasutame me vaid murdosa selle ülivõimsa tehnoloogia võimalustest. Teame, et mRNA pealt on võimalik praktiliselt ükskõik mida teha,» rõhutab Ermo Leuska. «Kujutage näiteks ette olukorda, kus kogu meditsiin ei käi niimoodi, et kui lähete arsti juurde, siis kirjutatakse teile välja peotäis tablette, vaid vastavalt sellele, mida konkreetsete vaeguste ja geeniprofiilide järgi vaja, saaks panna inimese enda organismi tootma ükskõik mis aineid. Või siis saaks sellega võistlusspordis dopingut teha. Selles mõttes on võimalused piiramatud, et kui organism suudab valku toota, siis saame seda ka mRNAga teha.»
Teise praegu veel ulmelise, kuid siiski mitte ebarealistliku stsenaariumina kirjeldab ta olukorda, kus igas haiglas on väike mRNA-põhine vaktsiinitehas.
«Oletame, et WHO kinnitab hooajalise gripi või ükskõik millise leviva viiruse uue tüve. Selle asemel, et hakata jälle uut vaktsiini valmistama, oleks vaja ainult selle geneetilist informatsiooni ja tarkvara. WHO võiks jagada juhiseid, meie saaks oma haiglas need vastu võtta, valmis teha, rasvamolekuli ära pakkida ja kohe kasutada. Juba praegu olemas oleva tehnoloogia juures on see käegakatsutav, kuigi raudselt põrkume lähiaastatel mingi eluslooduse takistusega,» ütleb Leuska.
Tartu eesliinil
Nagu Leuska ja Leppik korduvalt rõhutavad ja nagu ka Karikó lugu näitab, on selliste lennukate ideede realiseerimine siiski palju keerulisem, kuna elusloodus on alati keerulisem, kui esialgu paistab. Seda on nad ka oma teadustöös tunda saanud – mõne kuuga valmima pidanud pseudouridiini uurimise teadusprojekti esimene etapp on alles nüüd, kaks aastat hiljem lõpusirgel.
/nginx/o/2021/02/12/13626832t1h0d7d.jpg)
Selleks, et sünteetiline käskjalg organismis ka sihtmärgini jõuaks, peab ta loomulikku olukorda võimalikult täpselt jäljendama. Looduslik RNA ei ole aga päris nii lihtne pikk U-de, A-de, C-de ja G-de jada, nagu seda kooliõpikus kujutatakse. Kui RNA rakus valmis tehakse, siis tehakse osa tema ehitusplokkidest natukene ümber. Tihti sisaldavad üksikud nukleotiidid modifikatsioone, olgu selleks siis lisatud keemilised rühmad või muud keemilised-füüsilised muudatused.
Oma loengutes võrdleb Margus Leppik seda legoklotsidega – kui meil oleks vaid neli erinevat klotsi, siis oleks väga raske ehitada midagi keerulist. Kui on aga kasutada palju eri kujuga klotse, siis võimaldab see üles ehitada palju keerukamaid ja huvitavamaid struktuure. RNA enam kui 150 modifikatsiooni võimaldavadki niimoodi keeruliste struktuuride loomist.
«Kui pandeemia pole meile midagi muud õpetanud, siis vähemasti oleme nüüd aru saanud, et molekulaarsel tasemel bioteadust on hädasti vaja.»
Neid modifikatsioone on sadu ja need paiknevad alati samades positsioonides, selgitab Margus Leppik. Ometigi ei ole praegu veel teada, mis rolli need täpselt mängivad. Või teistpidi – kuidas need modifikatsioonid sünteetilise mRNA toimet mõjutada võivad. Näiteks on nii praeguste vaktsiinide kui ka kõigi teiste mRNA ja pseudouridiini uuringute puhul kõik uridiini nukleotiidid asendatud pseudouridiiniga. Et selline ühe puuga löömine antud juhul toimib, võib olla vaid vedamine; on täiesti võimalik, et järgmiste mRNA-teraapia lahenduste puhul enam väikese vaevaga ei pääse.
«Pseudouridiin on tegelikult olemas meie kõigi mRNAs, kuid seniajani ei teata, miks ta seal on või kas tal on miljonite aastate jooksul kujunenud välja mingi bioloogiline roll. Oleks hea teada täpselt, mida ja kuidas ta seal rakus reguleerib. Sellega saaksime tulevikus potentsiaalseid probleeme vältida. Covidi-vaktsiinidega näib kõik olevat okei, aga teiste vaktsiinide või teraapiate puhul võivad sellisel teadmatusel olla halvad tagajärjed,» ütleb Leppik. Õnneks peavad aga kõik bioloogilised ravimid ja vaktsiinid läbima põhjaliku testimise, inimesele ohtlikud ained kasutusluba ei saa.
Tartu Ülikooli molekulaar- ja rakubioloogia instituudis püüavadki Leppik ja Leuska vastata küsimusele, mis funktsioone pseudouridiin päristuumse organismi mRNAs ikkagi täidab ja kuidas neid meie hüvanguks kõige paremini ära kasutada saaks. Õigemini on pseudouridiini TÜMRIs uuritud juba paar aastakümmet, kuid konkreetselt mRNA kontekstis viimased kaks aastat.
/nginx/o/2021/02/12/13626831t1h4848.jpg)
«Tahame välja selgitada, et kui ta on mingis kindlas kohas, siis kuidas ta mRNA tööd mõjutab,» ütleb Leppik. Seejuures ei ole teada, et keegi teine seda süsteemi niimoodi uuriks. «Tõenäoselt uuritakse seda teemat maailmas mujalgi, aga ma ei ole kuulnud, et keegi oleks pannud püsti eksperimentaalsüsteemi, kus võetakski looduslikul kujul mRNA, pandaks talle kindlatesse kohtadesse pseudouridiin ja vaadataks mõjusid.»
See tähendab, et pole sugugi välistatud, et järgmine suur avastus mRNA revolutsiooni teel võib tulla just Riia tänava laboritest.
Pandeemia tõi murrangu
Nagu öeldud, on mRNA puhul võimalused piiramatud, kuid saatan pole detailidest kuhugi kadunud. Üheks suureks tuleviku küsimuseks peab Leuska näiteks seda, kuidas viia mRNA rakus täpselt sinna, kuhu vaja. Kui vaktsiini puhul piisab, kui mRNAd sisaldav õlikehake satub lihaskoesse, kus immuunkaitses osalevad rakud temaga kohe tööle hakkavad, siis mida teha, kui tekib vajadus viia see näiteks maksa või mõnda muusse konkreetsemasse kohta inimkehas? Kui praegu kasutatakse mRNA potentsiaalist vaid võib-olla üht protsenti, siis selle küsimuse lahendamine kasvataks seda näitajat kohe kõvasti.
Lisaks võib olla kindel, et see töö käib juba praegu kiiremini kui kunagi varem, kuna pandeemia ajal voolavad biotehnoloogiasse miljonid ning loodetavasti ei pea tulevikus ükski biokeemik virelema nii nagu Karikó omal ajal.
/nginx/o/2021/02/12/13626833t1h964d.jpg)
Kus oleks mRNA teadus praegu, kui koroonaviiruse pandeemia poleks maailma pea peale pööranud? Kõik asjasse puutuvad teadlased ütlevad nagu ühest suust, et mitte kuigi kaugel. Seda on Postimehele öelnud ka viroloog ja teadusnõukoja liige professor Andres Merits. Intervjuus Maalehele tunnistas professor Toivo Maimets, et mRNA-vaktsiine on arendatud ka Zika ja Ebola viiruse vastu, kuid alles koroona viis rahastuse üle kriitilise piiri.
«Räägiksime veel aastal 2030 sedasama juttu, et on uus ja paljulubav tehnoloogia. Nüüd on aga paljud riskiinvestorid peale lennanud ja annavad raha, nii et tule ja tee, kui vaid õigesti raha küsida oskad,» ütleb ka Leuska. «Kui pandeemia pole meile midagi muud õpetanud, siis vähemasti oleme nüüd aru saanud, et viroloogiat, biotehnoloogiat ja muud molekulaarsel tasemel bioteadust on hädasti vaja, et mõista, mis asi see haigus üldse on, kuidas seda peaks üldse õigesti testima või tema vastu vaktsiine välja töötama. See on kõik puhas biotehnoloogia. Loodan, et ka tänased noored saavad pandeemia toel aru, et need teadused väärivad õppimist.»
Väike seletav sõnastik
• RNA ehk ribonukleiinhape on üks bioloogiline makromolekul, mis osaleb paljudes elutegevuse protsessides ning on vastavalt funktsioonile ka erineva kuju ja nimega. Näiteks on teada ribosoomi-RNA, transport-RNA kui ka selle loo kangelane käskjalg-RNA ehk mRNA.
• DNA ehk desoksüribonukleiinhape on tuntud kui «elu kood» – hiigelpikk molekul, milles salvestatud nelja nukleotiidi kordumine ja nendega seotud interaktsioonid määravad ära kogu organismi kohta käiva informatsiooni.
• Nukleotiidid – suhkrust, lämmastikrühmast ja fosfaatrühmast koosnevad orgaanilised molekulid, mis moodustavad suuri molekule nagu DNA ja RNA. Lämmastikalus on see, mis määrab ka nukleotiidi. Näiteks DNAd moodustavad adeniini (A), tümiini (T), guaniini (G) ja tsütosiini (C) lämmastikrühmadega nukleotiidid. RNA puhul on tümiin asetatud uratsiiliga (U).
• Genoom on elusorganismi DNAs või RNAs sisalduv pärilik info, mis väljendub nukleotiidide jadas.
• Ribosoom – rakus tegutsev nn molekulaarne masin, mis toodab mRNAs sisalduva info põhja valke. Looduslikus rakus pärineb mRNA info omakorda DNAst.