“Phần mềm diệt virus sinh học” có thể ngăn chặn đại dịch toàn cầu tiếp theo

Theo Bill Gates, có ba mối đe dọa chính đối với loài người: chiến tranh hạt nhân, biến đổi khí hậu và đại dịch toàn cầu tiếp theo.

Để chuẩn bị cho điều tồi tệ nhất, "điều trước tiên và quan trọng nhất là chúng ta phải xây dựng một kho vũ khí mới – đó là vắc xin, thuốc và chẩn đoán", Gates cho biết.

Một số nhà khoa học đang sử dụng máy tính để thực hiện chính điều đó.

Vượt mặt hệ miễn dịch

Mặc dù đã có các mũi tiêm phòng cúm, theo báo cáo của Tổ chức Y tế Thế giới, bệnh cúm theo mùa vẫn là nguyên nhân gây ra hàng triệu bệnh nghiêm trọng và cướp đi sinh mạng của khoảng nửa triệu người trên toàn cầu mỗi năm. Đặc tính "hiệu quả từng phần" của các mũi tiêm phòng mỗi năm, cùng với thời gian sản xuất dài và nguồn cung giới hạn trên thế giới cho thấy chúng ta vẫn cần những phương pháp chữa bệnh cúm mới.

Đó chỉ là dịch cúm theo mùa. Còn với đại dịch cúm, tương tự đại dịch cúm Tây Ban Nha năm 1918, có thể giết chết hàng chục triệu người chỉ trong một năm.

Các kháng thể trong hệ thống miễn dịch tự nhiên của con người là những người lính tiền tuyến trong cuộc chiến chống lại virus. Nhiệm vụ của một kháng thể là nhận diện và bám chặt "kẻ xâm nhập" lạ như virus cúm. Các kháng thể ở người có cấu trúc hai chiều, hay nói cách khác chúng có "hai bàn tay" để bám lấy virus.

Dưới kính hiển vi, virus cúm có hình dạng giống một quả cầu siêu nhỏ có chồi gai. Nhờ các chồi gai trên bề mặt nó có thể xâm nhập vào tế bào con người. Bằng cách bám chặt chồi gai bằng một hoặc cả hai tay, kháng thể có thể ngăn virus cúm lây nhiễm vào tế bào người. Tuy nhiên, mỗi năm các virus cúm tiến hóa rất nhanh và lựa chọn các đột biến từ các protein chồi gai khiến cho kháng thể bám dính của con người không còn nhận diện được virus nữa.

Từ lâu các nhà nghiên cứu đã tìm kiếm một loại vắc xin cúm dành cho mọi đối tượng và không cần phải tiêm lại mỗi năm. Những nỗ lực để sản xuất loại vắc xin trên thường thông qua việc tiêm virus giống virus cúm và không có tính lây nhiễm vào cơ thể với hy vọng hệ miễn dịch của con người sẽ chủ động tấn công bất cứ dòng cúm thực sự nào sau này. Tuy đạt được một số tiến bộ nhưng các nhà nghiên cứu vẫn chưa thể làm hệ miễn dịch phòng chống được tất cả các dòng cúm, và mối đe dọa của một đại dịch toàn cầu vẫn đang rình rập.

Các nhà khoa học có thể sử dụng chương trình máy tính để thiết kế các protein kháng virus mới. (Nguồn: ibreakstock/Shutterstock).

Phần mềm đánh bại bệnh cúm

Thiết kế protein bằng máy tính có thể là giải pháp. Thay vì dựa vào hệ thống miễn dịch để tạo ra một protein kháng thể có khả năng ngăn chặn virus giống như cúm, mô hình máy tính có thể nhanh chóng giúp tạo ra các protein kháng virus tùy chỉnh được lập trình để chặn một virus gây chết người.

Không giống vắc xin, loại thuốc này có thể được dùng để điều trị lây nhiễm đã có hoặc dùng trước khi phơi nhiễm một vài ngày để phòng ngừa. Vì những protein thiết kế hoạt động độc lập với hệ thống miễn dịch, tác dụng của chúng không phụ thuộc vào hệ miễn dịch có khỏe mạnh hay không - một đặc điểm rất hữu ích đặc biệt với những người có hệ miễn dịch yếu vốn có nguy cơ cao bị nhiễm virus.

Cách thức hoạt động của các protein kháng virus được máy tính tạo ra giống một số protein tự nhiên trong hệ thống miễn dịch con người. Nhờ bề mặt protein kháng virus có sự kết hợp hoá học với virus, chúng có thể bám dính chặt chẽ với một virus cụ thể. Nếu một protein bám dính vào một virus đúng cách, nó có thể ngăn chặn sự di chuyển của virus và kết quả là ngăn ngừa sự lây nhiễm.

Bằng cách thiết kế một protein kháng virus trên máy tính, phát triển nó trong phòng thí nghiệm và sau đó đưa vào cơ thể, bạn đã số hoá hiệu quả một phần của hệ miễn dịch.

Năm 2016, các protein được tạo ra bằng máy tính tỏ ra có hiệu quả hơn oseltamivir (Tamiflu) trong việc ngăn tử vong ở chuột bị nhiễm cúm. Một liều protein thiết kế nhỏ mũi có hiệu quả hơn 10 liều Tamiflu, một loại thuốc mà theo WHO là "thuốc thiết yếu" vì tính kháng cúm hiệu quả của nó. Hơn nữa, các protein kháng cúm tạo bởi máy tính trên cũng bảo vệ chuột trước các chủng cúm khác nhau. Những nỗ lực để biến những kết quả đầy hứa hẹn này thành các loại thuốc được Cục quản lý Thực phẩm và Dược phẩm Hoa Kỳ (FDA) chấp thuận đang được tiến hành.

Trong một bài báo mới được xuất bản gần đây của tạp chí Nature Biotechnology, các nhà khoa học tại Viện Thiết kế Protein Đại học Washington đã tiến thêm một bước trong việc chứng minh một cách mới để ngăn chặn bệnh cúm: mô hình máy tính đã được dùng để tạo ra một loại protein kháng virus mới hoàn toàn có cấu trúc "ba tay bám dính".

Tại sao lại là ba? Nhiều loại virus gây chết người - như bệnh cúm, Ebola và HIV – tạo các protein chồi gai từ cấu trúc ba phần đối xứng.

Một loại thuốc kháng virus có cấu trúc "ba bàn tay" cách đều đối xứng sẽ bám lấy từng phần của mỗi protein chồi gai, dẫn đến việc bám dính virus chặt hơn và hiệu quả chống virus tổng thể tốt hơn. Thành công về mặt hình học này hiệu quả hơn hệ miễn dịch ở người.

Chiến lược thiết kế đã có hiệu quả. Protein có cấu trúc "ba tay" tốt nhất được đặt tên là Tri-HSB.1C, có thể bám dính chặt chẽ các chủng cúm khác nhau. Khi thử nghiệm trên chuột, nó cũng bảo vệ toàn diện chuột trước một chủng cúm gây tử vong và chỉ gây ra sự giảm khối lượng cơ thể tối thiểu - một yếu tố thường được sử dụng để chẩn đoán mức độ nghiêm trọng của bệnh cúm ở chuột. Các nhà nghiên cứu hiện đang áp dụng các công cụ tương tự lên protein chồi gai của virus Ebola.

Sẽ mất rất nhiều năm trước khi công nghệ mới này được thông qua để áp dụng trên người với bất kỳ dòng virus nào. Nhưng chúng ta có thể không phải đợi quá lâu để thấy được lợi ích của nó trong việc cứu sống con người.

Chẩn đoán virus

Bằng cách phủ chất có cấu trúc ba chiều bám dính virus cúm lên một mảnh giấy và thả các mẫu cúm lên trên, nhóm nghiên cứu tại Đại học Washington đã phát hiện sự có mặt của protein virus trên bề mặt ngay cả khi nồng độ virus rất thấp. Hệ thống phát hiện chứng minh khả năng (POC) có thể được chuyển đổi thành công cụ chẩn đoán tại chỗ và đáng tin cậy với nhiều loại virus khác nhau bằng cách phát hiện chúng trong nước bọt hoặc máu. Giống như que thử thai, các vạch trên mẫu thử có thể giúp con người nhận biết mình có bị cúm hoặc Ebola hoặc là đại dịch toàn cầu lan rộng nhanh chóng tiếp theo.

Trong một bức thư vào năm 2015 gửi tới Tạp chí Y học New England về bài học kinh nghiệm từ dịch Ebola ở Tây Phi, Bill Gates mô tả sự thiếu chuẩn bị của thế giới là "thất bại toàn cầu".

"Có lẽ điều tốt lành duy nhất sau đại dịch Ebola kinh hoàng là lời thức tỉnh tới toàn thế giới", Gates cho biết (Quỹ Bill và Melinda Gates đang đầu tư vào công trình thiết kế protein tại Đại học Washington).

Theo Ian Haydon, nghiên cứu sinh tiến sỹ hóa sinh của đại học Washington, khi có một đại dịch virus toàn cầu như đại dịch cúm Tây Ban Nha năm 1918, phần mềm chống virus sinh học có thể đóng một vai trò quan trọng trong việc cứu sống hàng triệu người.