В этом тексте, мы, символ за символом, разберём исходный код мРНК вакцины BioNTech/Pfizer от SARS-CoV-2.

Я хотел бы поблагодарить всех, кто тратил своё время на проверку информации и редактирование этой статьи. Тем не менее, вся ответственность за возможные ошибки целиком на мне, и я буду рад, если вы как можно скорее сообщите мне о них по почте bert@hubertnet.nl или в https://twitter.com/PowerDNS_Bert

Итак, мои слова могут показаться вам несколько странными — вакцина же жидкость, которую вводят тебе в руку, о каком исходном коде может идти речь?

Хороший вопрос, поэтому, давайте начнём с небольшой части исходного кода вакцины BioNTech/Pfizer, так же известной как BNT162b2, так же известной как Тозинамеран или Комирнати.

Ядро мРНК вакцины BNT162b содержит именно этот цифровой код, длиной в 4284 символа. При желании, его можно уместить в дюжину твитов! В самом начале производства вакцины, кто-то загрузил код в ДНК-принтер (да-да), который и превратил байты с диска в молекулы ДНК.

Подобный принтер производит небольшое количество молекул ДНК, которые после интенсивной химической и биологической обработки превращаются в РНК (подробнее об этом чуть позже) для ампулы с вакциной. Доза из 30 микрограмм вакцины на самом деле содержит 30 микрограмм РНК. Кроме того, используется достаточно хитрая липидная система упаковки, которая и доставляет мРНК в наши клетки.

Если сравнивать с ДНК, которую можно представить как постоянную биологическую флеш-память, то РНК — это такая оперативная “рабочая память”. ДНК крайне прочна, избыточна и надёжна. Но, как и в случае с компьютерами, которые не исполняют код прямо с флешки, прежде чем что-то случится, необходимо скопировать код в более быструю, универсальную, но и гораздо более хрупкую систему.

Для компьютеров это ОЗУ. Для биологии — РНК. Сравнение удивительно точное. В отличие от флеш-памяти, ОЗУ быстро деградирует, если за ним не ухаживать. Это и есть причина, по которой мРНК вакцина от Pfizer/BioNTech должна храниться при -70°C: РНК — нежный цветок, за которым необходим постоянный уход.

Каждый символ РНК весит порядка 0.53·10⁻²¹ грамм. В одной дозе вакцины, составляющей 30 микрограмм, помещается 6·10¹⁶ символов. Если выразить это в байтах, то получится около 25 петабайтов, хотя, необходимо отметить, что это около 2000 повторений одной и той же последовательности из 4284 символов. Непосредственно информационная нагрузка вакцины составляет чуть больше килобайта. Для сравнения, SARS-CoV-2 “весит” около 7.5 килобайтов.

Кратчайшая предыстория

ДНК — это цифровой код. В отличие от компьютеров, которые используют нули и единицы, жизнь состоит из A, C, G и U/T(нуклеотидов и нуклеозидов с различными азотистыми основаниями).

В компьютерах, мы храним 0 и 1 как отсутствие (или присутствие) электрического заряда, тока, магнитного перехода, напряжения или модуляции сигнала. Вкратце, нули и единицы это не какая-то абстракция — они существуют в виде электронов и других физических явлений.

В природе же, A, C, G и U/T — молекулы, хранящиеся в цепочках ДНК (или РНК)

В компьютерах, мы группируем 8 бит в 1 байт, и используем байт как стандартную единицу измерения обрабатываемой информации.

Природа группирует 3 нуклеотида в кодон — тринуклеотид, который и используется в качестве стандарта объема обработки. Каждый кодон содержит 6 битов информации (2 бита в символе ДНК, 3 символа = 6 бит, что означает 2⁶ = 64 возможных вариантов кодонов).

Пока что звучит знакомо. Если у вас возникли какие-то сомнения, вы можете обратиться к официальному документу ВОЗ с цифровым кодом вакцины, чтобы проверить это самостоятельно.

Если вас заинтересовала эта тема, вы можете углубиться в неё здесь. Это может оказаться полезным для понимания того, о чём говорится в этой статье. Если же вы предпочитаете видео, то вас ждёт целых два насыщенных часа.

Так что же этот код ДЕЛАЕТ?

Смысл вакцинации заключается в том, чтобы обучить иммунную систему сражаться с патогеном, не подвергая организм опасности заражения. Обычно это достигается инъекцией ослабленного или обездвиженного (аттенуированного) вируса вместе со вспомогательными веществами, чтобы подстегнуть нашу иммунную систему и заставить её бороться. Это весьма “аналоговый” способ, требующий миллиардов яиц (или насекомых), а также изрядной удачи и большого количества времени. Иногда для этого использовались разные, мало схожие между собой вирусы.

Вакцина мРНК даёт такой же результат (обучение нашей иммунной системы), но хирургически точным способом, узконаправленным и мощным.

Итак, как всё это работает? Инъекция содержит в себе неустойчивый генетический материал, описывающий собой знаменитый шиповидный белок SARS-CoV-2. Хитрым химическим способом вакцина доставляет эту информацию в наши клетки, которые затем послушно начинают вырабатывать тот же самый шиповидный белок SARS-CoV-2 в количествах, достаточных для активации нашей иммунной системы. Заметив растущее количество враждебных белков (и признаков того, что клетки были захвачены вирусом), наш иммунитет начинает вырабатывать мощнейший ответ шиповидным белкам и процессу их размножения.

Именно это и даёт нам вакцину с эффективностью в 95%.

Исходный код

Давайте начнём с самого начала. В документе ВОЗ есть эта очень полезная картинка:

Это своего рода оглавление. Мы начнём с кэпа, изображенного в виде маленькой кепки.

Как и в случае с компьютерами, мы не можем просто загрузить операционные коды в память и запустить их. Биологической операционной системе требуются заголовки, линкеры и соглашения о вызовах.

Код вакцины начинается с двух нуклеотидов:

GA

Можно сравнить это с любой программой DOS или Windows, начинающейся с MZ, или со скриптами UNIX, начинающимися с #!. Ни в биологии, ни в информатике эти два символа никак не исполняются, но они необходимы, без них не будет ничего.

Заголовок мРНК выполняет несколько функций одновременно. Для начала, он отмечает код как исходящий из клеточного ядра. Да, в данном случае это ложь, код исходит из вакцины, но клетке об этом говорить необязательно. Заголовок придаёт нашему коду легитимности, что защищает его от уничтожения.

Нетранслируемая область 5`-конца

Проясним немного жаргона. Молекулы РНК читаются только в одном направлении. Та часть, с которой начинается чтение, называется 5` или “5`-конец”. Чтение заканчивается на 3`-НТО.

Вся жизнь состоит из белков (или штук, создаваемых белками). Эти белки описываются в РНК. Преобразование РНК в белок называется трансляцией.

Ниже приведена 5`-НТО — та часть, которая не попадает в белок.

GAAΨAAACΨAGΨAΨΨCΨΨCΨGGΨCCCCACAGACΨCAGAGAGAACCCGCCACC

Здесь нас поджидает первая неожиданность. Символы РНК — A, C, G и U. U так же известно как T в ДНК. Здесь же мы видим символ Ψ. Что происходит?

Это одна из самых интересных частей вакцины. Наша иммунная система — это мощнейший антивирус. Из-за этого клетки ничуть не рады встретить чужую РНК и будут пытаться уничтожить её до того, как она что-нибудь сделает.

Для нашей вакцины это проблема — ей надо прокрасться мимо иммунитета. Несколько лет экспериментов ушло на то, чтобы понять: если заменить U в РНК немного измененной молекулой, то иммунитет перестаёт считывать её как чужеродную.

Так вот, в вакцине BioNTech/Pfizer каждая U была заменена на 1-метил-3`-псевдоуридин, обозначаемый символом Ψ. Самое интересное, что эта подмененная молекула хоть и “успокаивает” иммунную систему, обычными клетками считывается как простая U.

В сфере компьютерной безопасности подобный трюк тоже известен — иногда получается передать немного модифицированную версию сообщения, которую проигнорируют файрволы и антивирусы, но правильно считает бекенд, который затем подвергается взлому.

Применяя этот подход, мы используем плоды десятилетий научных исследований. Учёным, открывшим Ψ-метод, пришлось сражаться за финансирование, а затем и за принятие результатов их исследований. Мы должны быть им благодарны, и я уверен, что скоро они станут лауреатами Нобелевской премии.

Многие спрашивают, а не могут ли вирусы использовать Ψ, чтобы обойти нашу иммунную систему? Если вкратце — это маловероятно. У жизни просто нет возможности для создания 1-метил-3`-псевдоуридин нуклеотидов. Вирусы пользуются простыми биологическими механизмами для размножения. Вакцины мРНК быстро разлагаются в человеческом теле, и возможности для размножения РНК вместе с Ψ просто не существует.

Более подробно эта тема рассматривается в статье “Нет, мРНК-вакцины не влияют на ДНК”

Давайте вернёмся к 5`-НТО. Что делают эти символы? Как и у всего в природе, одной явной задачи тут нет.

Источник: Пользователь Википедии Bensaccount

Когда нашим клеткам необходимо транслировать РНК в белок, они делают это с помощью механизма, называемого рибосомой. Рибосома — это своего рода 3D-принтер для белков. Она поглощает нити РНК и на их основе строит цепочку аминокислот, которые и сворачиваются в белок.

В этом видео можно посмотреть, как это происходит. Черная цепочка внизу — это РНК. Цепь, появляющаяся в зелёной области — формирующийся белок. Синие штуки, летающие по экрану — аминокислоты и адаптеры, необходимые для их взаимодействия с РНК.

Для начала работы рибосоме требуется физически “усесться” на цепочке РНК. После этого она может начать формировать белок на основе поглощаемого РНК. Как следствие, она не может читать те части, на которые ей необходимо сесть. Это и есть одна из функций НТО — предоставление “исходной точки”.

В дополнение к этому, в НТО содержатся метаданные: когда должна произойти трансляция? Сколько она должна длиться? В вакцине применяется самая “срочная” из НТО, обнаруженных учёными. Эта НТО была взята из гена альфа глобина. Этот ген известен своей способностью к быстрой и надежной трансляции большого количества белков. За прошедшее с открытия время, ученые нашли способ оптимизировать его, так что это уже не совсем НТО альфа глобина, а даже лучше.

Сигнальный пептид гликопротеина S

Как я пояснил чуть ранее, задача вакцины состоит в создании огромного количества шиповидного белка SARS-CoV-2. До этого момента мы рассматривали метаданные и соглашения о вызове в исходном коде вакцины, но сейчас переходим к части непосредственно вирусного белка.

Тем не менее, нам необходимо разобрать ещё один слой метаданных. После того, как рибосома транслировала белок, этому белку необходимо куда-то попасть. Эта информация содержится в сигнальных последовательностях (сигнальных пептидах) гликопротеина.

Представьте, что в начале белка есть пометка с адресом, зашифрованная в сам белок. В данном случае сигнальный пептид говорит, что этот белок должен покинуть клетку с помощью эндоплазматической сети.

Этот “сигнальный пептид” не очень длинный, но, если мы приглядимся к коду, то заметим разницу между РНК вируса и вакцины:

(Обратите внимание, что для облегчения читабельности я заменил Ψ на обычный U)

Что здесь происходит? Я вовсе не случайно сгруппировал РНК по 3 символа. Три символа РНК формируют кодон. Каждый кодон кодирует определенную аминокислоту. Сигнальный пептид в вакцине состоит из тех же аминокислот, что и вирус.

Так в чём же разница?

Есть 4³=64 разных кодона (так как символов РНК 4, а кодон состоит из трех символов). Это означает, что несколько разных кодонов кодируют одну и ту же аминокислоту.

Жизнь использует практически универсальную таблицу соответствий кодонов РНК и аминокислот:

В этой таблице мы видим, что изменённая версия в вакцине (UUU -> UUC) — синонимы. РНК вакцины отличается, но из неё получаются те же аминокислоты и белки.

Если взглянуть повнимательнее, то мы заметим, что большая часть изменений происходит в третьих позициях кодонов, помеченных как 3 в таблице выше. Если мы сверимся с универсальной таблицей кодонов, то поймем, что эта третья позиция практически не влияет на формируемую аминокислоту.

Если эти кодоны — синонимы, то зачем что-либо изменять? Если мы приглядимся, то увидим, что все изменения, кроме одного, приводят к большему количеству C и G.

Зачем нам это? Как я пояснил чуть выше, нашей иммунной системе не очень нравится чужеродная РНК, РНК, привносимая в клетку извне. Для того, чтобы оставаться незамеченным, U в РНК был заменён на Ψ.

Как оказалось, РНК с большим содержанием G и C более эффективно транслируется в белок.

Именно это и было достигнуто подобной заменой.

Непосредственно шиповидный белок

Следующие 3777 символов РНК вакцины также содержат “оптимизированные” кодоны. В целях экономии места я не буду приводить здесь весь код, но хочу рассмотреть следующий, крайне интересный, кусочек. Именно эта часть делает всё остальное возможным и даёт нам шанс вернуться к нормальной жизни.

Здесь мы наблюдаем уже привычные нам синонимичные изменения в РНК. Например, первый кодон CUU изменён в CUG. Это добавляет еще одну G к вакцине, что благотворно сказывается на производстве белка. CUU и CUG кодируются в аминокислоту L — лейцин, так что в белке ничего не меняется.

Когда мы сравниваем весь шиповидный белок в вакцине, все изменения подобны этим… кроме двух.

Третий и четвертый кодоны несут в себе настоящие изменения. Аминокислоты K и V здесь изменены на P, Пролин. Для K потребовалось три замены, а для V — всего лишь две.

Оказывается, эти два незначительных изменения невероятно усиливают эффективность вакцины.

Что же здесь происходит? Если вы посмотрите на настоящую частицу SARS-CoV-2, то вы увидите шиповидные белки в виде множества отростков.

Эти шипы прикрепляются к телу вируса (нуклеокапсидному белку, структурной единице вируса). Но дело в том, что наша вакцина создаёт только шипы, которые ни к чему не крепятся. Свободные шиповидные белки в их исходной форме разлагаются не так, как крепящиеся к телу вируса. Если ввести их как вакцину без модификации, то наши тела бы приобрели иммунитет именно к этой, свободной, форме.

А вот настоящий SARS-CoV-2 состоит из настоящих, шипастых шипов. Вакцина была бы не очень эффективна в данном случае.

И как быть? В 2017 удалось обнаружить, что двойная замена на пролин в определённом месте образует шиповидные белки SARS-CoV-1 и MERS правильной “пред-встраиваемой” конфигурации, даже в отдельности от тела вируса. Это работает благодаря тому, что пролин — очень жесткая аминокислота. Она работает как шина, фиксирующая белок в стабильном состоянии, и именно в том, в котором нам нужно представить его иммунной системе.

Люди, которые это открыли, имеют полное моральное право раздавать пятюни самим себе от гордости. От них должно просто разить превосходством. И заслуженно.

Обновление! Со мной связалась лаборатория МакЛеллан, одна из групп, обнаруживших пролин. Они сказали, что из-за пандемии пятюни запрещены, но они рады тому, что участвовали в создании вакцины. Они также отметили, что другие исследовательские группы, работники и волонтёры, были не менее важны.

Конец белка, дальнейшие шаги

Если мы пролистаем остальной код, то заметим еще немного изменений в конце шиповидного белка.

В самом конце мы видим кодон “остановки”, отмеченный здесь символом “s”. Это вежливый способ указать окончания белка. Настоящий вирус использует кодон UAA, вакцина же содержит два кодона UGA, чтобы наверняка.

3`-Нетранслируемая область

Рибосоме требовался “вход” со стороны 5`, и если в начале мы видим 5`-НТО, то в конце у нас содержится 3`-НТО. Можно многое написать о 3`НТО, но я, пожалуй, процитирую Википедию: “3`-НТО играет ключевую роль в экспрессии генов, оказывая влияние на локализацию, стабильность, эффективность трансляции и связывания … несмотря на наши нынешние знания о них, 3`-НТО до сих пор представляют собой относительно неизученную область.”

Что мы точно знаем о 3`-НТО, так это об их эффективности в улучшении связываемости белков. Согласно документу ВОЗ, 3`-NTO в вакцине BioNTech/Pfizer был подобран из “аминоконцевого усилителя расщепленной РНК и митохондриальной кодируемой рибосомной РНК 12S для обеспечения стабильности и связываемости РНК.” На что я скажу: “ну и молодцы”.

Конец ААААААААААААААААААААА всему

Сам конец мРНК полиаденилирован. Это заумный способ сказать, что он заканчивается множеством АААААААААААААААААААА. Даже мРНК устала от 2020 года.

мРНК можно использовать много раз, но с каждым разом она теряет несколько А со своего конца. Когда А закончатся, мРНК перестает быть работоспособной и утилизируется. Таким образом, полиаденилирование применяется для защиты мРНК от деградации. Были проведены исследования для того, чтобы выявить оптимальное число А для вакцин мРНК. В открытых исследованиях пришли к выводу что это число — 120, более или менее.

Вакцина BNT162b2 заканчивается так:

Здесь 30 А, затем “10 связующих нуклеотидов” (GCAUAUGACU), а затем еще 70 А.

Я подозреваю, то, что мы видим здесь — результат оптимизации с целью еще сильнее улучшить трансляцию белков.

Итог

Теперь мы знаем точное содержание мРНК вакцины BNT162b2, и, в большей степени, понимаем, что и зачем в ней содержится:

• Кэп для того, чтобы замаскировать РНК в мРНК
• Известный, улучшенный 5`-НТО
• Оптимизированный сигнальный пептид для того, чтоб направить шиповидный белок в правильном направлении (скопирован из исходного вируса)
• Оптимизированные кодоны шиповидного белка с двумя аминокислотами пролина, чтоб удостовериться, что белок создается в правильном виде
• Известный, улучшенный 3`-НТО
• Немного странный хвост с поли-А и непонятным связующим звеном.

Оптимизация кодонов добавляет множество G и C в мРНК. Между тем, использование Ψ (1-метил-3`-псевдоуридин) вместо U помогает вакцине обойти нашу иммунную систему, для того, чтобы у мРНК было достаточно времени на её обучение.