Quantitative modeling of SARS-CoV-2 replication reveals phase-specific bottlenecks and antiviral targets

वायरस उस तरह से जीवित नहीं हैं जैसा हम जीवन को समझते हैं; वे आनुवंशिक निर्देशों के सरल पैकेज हैं जिन्हें प्रजनन करने के लिए एक जीवित कोशिका का अपहरण करना ही पड़ता है। एक बार जब SARS-CoV-2 जैसा वायरस मानव कोशिका में प्रवेश करता है, तो यह अपनी प्रतियां बनाने के लिए कोशिका की मशीनरी पर नियंत्रण कर लेता है। इस प्रक्रिया में घटनाओं का एक जटिल, समयबद्ध क्रम शामिल होता है: वायरस पहले अपने आनुवंशिक कोड की प्रतियां बनाता है, फिर नए वायरस कणों के निर्माण के लिए आवश्यक प्रोटीन बनाने हेतु उन प्रतियों का उपयोग करता है, और अंत में अन्य कोशिकाओं को संक्रमित करने के लिए उन नए कणों को एकत्रित और मुक्त करता है। हालांकि वैज्ञानिक लंबे समय से जानते हैं कि यह क्रम घटित होता है, लेकिन प्रत्येक चरण की सटीक गति और प्रक्रिया के कौन से विशिष्ट भाग वायरस की सफलता के लिए सबसे महत्वपूर्ण हैं, उन्हें सटीक रूप से निर्धारित करना कठिन रहा है। इन सटीक यांत्रिकी को समझना आवश्यक है क्योंकि यदि हम जानते हैं कि वायरस स्वयं को ठीक कैसे बनाता है, तो हम दवाओं के साथ इस प्रक्रिया को बाधित करने के सबसे प्रभावी बिंदुओं की पहचान कर सकते हैं।

एक नए अध्ययन में, शोधकर्ताओं ने इस अदृश्य फैक्ट्री फ्लोर का अभूतपूर्व सटीकता के साथ मानचित्रण करने का लक्ष्य रखा। उन्होंने मानव फेफड़ों की कोशिकाओं पर ध्यान केंद्रित किया, जो वायरस का प्राथमिक लक्ष्य हैं, और पहले 24 घंटों के दौरान संक्रमण को ट्रैक किया। केवल अंतिम परिणाम का अवलोकन करने के बजाय, टीम ने कई अलग-अलग क्षणों के दौरान वायरल आनुवंशिक सामग्री की मात्रा, वायरल प्रोटीन के स्तर और उत्पादित संक्रामक वायरस कणों की संख्या को मापा। उन्होंने इन उच्च-रिज़ॉल्यूशन मापों को वायरस के जैविक नियमों को सिम्युलेट करने के लिए डिज़ाइन किए गए एक कंप्यूटर मॉडल के साथ जोड़ा। इस मॉडल ने वायरस के जीवन चक्र के गणितीय विवरण के रूप में कार्य किया, जिससे वैज्ञानिकों को आनुवंशिक प्रतियों के निर्माण से लेकर नए वायरस के मुक्त होने तक, प्रत्येक चरण की गति की गणना करने में मदद मिली, जिससे उन अंतरालों को भरा जा सका जिन्हें प्रयोगशाला में सीधे मापना लगभग असंभव है।

परिणामों ने एक स्पष्ट, मात्रात्मक चित्र प्रदान किया कि वायरस कैसे कार्य करता है। मॉडल ने दिखाया कि वायरस की प्रतिकृति (रेप्लिकेशन) बनाने की क्षमता दो विशिष्ट बाधाओं (bottlenecks) पर भारी रूप से निर्भर करती है: वह गति जिससे वह अपनी आनुवंशिक सामग्री की नकल करता है और वह दक्षता जिसके साथ वह नए वायरस कणों के निर्माण के लिए आवश्यक प्रोटीन को परिपक्व करता है। इन दो चरणों को कोशिका के भीतर संक्रमण कितनी तेज़ी से फैलता है, इसे निर्धारित करने वाले प्रमुख कारकों के रूप में पहचाना गया। यह परीक्षण करने के लिए कि क्या उनका मॉडल वास्तव में सटीक था, शोधकर्ताओं ने इसे उन प्रयोगों के वास्तविक डेटा के साथ चुनौती दी जहाँ वायरस का उपचार तीन अलग-अलग दवाओं: रेमडेसिविर (remdesivir), निरमैट्रेलविर (nirmatrelvir) और मोंटेलुकास्ट (montelukast) के साथ किया गया था। मॉडल ने सफलतापूर्वक भविष्यवाणी की कि वायरस प्रत्येक दवा के साथ अकेले कैसे प्रतिक्रिया करेगा और यहाँ तक कि इसने यह भी सही ढंग से पूर्वानुमान लगाया कि जब इन दवाओं का उपयोग एक साथ किया जाता है तो वे कैसे परस्पर क्रिया करेंगी।

शायद सबसे महत्वपूर्ण बात यह है कि इस अध्ययन ने इस बहस को सुलझाने में मदद की कि इनमें से एक दवा कैसे कार्य करती है। इस बारे में अनिश्चितता थी कि क्या मोंटेलुकास्ट, जो मूल रूप से अस्थमा के लिए विकसित की गई एक दवा है, NSP1 नामक एक विशिष्ट वायरल प्रोटीन को लक्षित करती है या NSP5 नामक दूसरे प्रोटीन को। अपने मॉडल के विभिन्न संस्करणों की प्रायोगिक डेटा के विरुद्ध तुलना करके, शोधकर्ताओं ने पुख्ता सबूत पाए कि मोंटेलुकास्ट NSP5 को लक्षित करता है, न कि NSP1 को। यह अंतर महत्वपूर्ण है क्योंकि यह दवा के कार्य करने के तंत्र को स्पष्ट करता है। यह अध्ययन यह दावा नहीं करता है कि इसने वायरस के उपचार की समस्या को हल कर लिया है, लेकिन इसने एक विश्वसनीय ढांचा स्थापित किया है। जटिल, छिपी हुई वायरल प्रतिकृति प्रक्रियाओं को एक अनुमानित प्रणाली में बदलकर, यह कार्य एक नया तरीका प्रदान करता है जिससे यह मूल्यांकन किया जा सके कि संभावित उपचार मरीजों पर परीक्षण किए जाने से पहले ही कितने प्रभावी हो सकते हैं।