Biologi Universitas — Tahun 3 · Bachelor Year 3
13Virologi
Terdapat sekitar partikel virus di Bumi, sepuluh bagi tiap sel, dan di laut mereka membunuh seperlima seluruh bakteri setiap hari. Sebuah virus bukanlah sel: ia tidak bermetabolisme, tidak berribosom, dan tidak punya cara membuat apa pun sendiri. Ia adalah sebuah genom — sependek dua gen, sepanjang dua ribu — yang terbungkus cangkang protein, yang memasuki sebuah sel lalu mengubah mesin sel itu menjadi pembuat salinan dirinya. Influenza tahun 1918 membunuh lima puluh juta orang; cacar, yang membunuh tiga ratus juta orang pada abad kedua puluh saja, dibasmi pada tahun 1980 oleh sebuah vaksin yang pertama kali dicoba pada tahun 1796; dan sebuah koronavirus yang menyeberang ke manusia pada tahun 2019 genomnya terurutkan dalam hitungan minggu, sebuah vaksin dirancang dalam hitungan hari sesudahnya, dan obat terhadap proteasenya dalam dua tahun. Bab ini memperlakukan apa itu virus dan bagaimana ia digolongkan menurut kimia genomnya, bagaimana ia memperbanyak diri, kinetika sebuah infeksi di dalam satu inang — yang digambarkan sepasang persamaan diferensial cukup baik hingga mengubah pengobatan AIDS — evolusinya, serta bagaimana ia dilawan.
13.1 Apa itu virus
Definisi 13.1 (Virus)
Sebuah virus adalah parasit intrasel obligat yang terdiri atas sebuah genom asam nukleat — DNA atau RNA, untai tunggal atau untai ganda, lurus atau melingkar, satu molekul atau beberapa — yang terkemas di dalam sebuah kapsid protein, dan dalam banyak hal terbungkus sebuah selubung yang diambil dari membran inang serta bertaburan glikoprotein virus. Partikel menular yang lengkap adalah virion, yang bagi kebanyakannya berukuran (beberapa virus raksasa mencapai satu mikrometer). Kapsid dibangun dari banyak salinan satu atau beberapa protein yang tersusun dengan simetri heliks (sebuah batang, seperti pada virus mosaik tembakau) atau simetri ikosahedral (sebuah cangkang beranggota subunit, dengan ). Klasifikasi Baltimore menggolongkan virus menurut jalan dari genom ke RNA duta: I, DNA untai ganda (herpes, cacar, adenovirus, sebagian besar fag); II, DNA untai tunggal (parvovirus); III, RNA untai ganda (rotavirus); IV, RNA untai positif, yang dirinya sendiri sebuah duta (polio, hepatitis C, koronavirus); V, RNA untai negatif, yang komplemen terhadap duta (influenza, campak, rabies, Ebola); VI, RNA yang ditranskripsi balik menjadi DNA (retrovirus, HIV); VII, DNA yang digandakan lewat sebuah antara RNA (hepatitis B). Setiap kelas selain I harus membawa atau menyandi sebuah enzim yang tidak dipunyai sel — sebuah RNA polimerase bergantung-RNA, sebuah transkriptase balik — dan enzim itulah sasaran kebanyakan obat antivirus.
Bukti eksperimental. Ivanovsky (1892) dan Beijerinck (1898) menunjukkan bahwa penyakit mosaik pada tembakau ditularkan oleh getah yang dilewatkan melalui saringan yang menahan seluruh bakteri — sebuah contagium vivum fluidum, yakni cairan hidup yang menular. Stanley (1935) menghablurkan agennya, yakni virus mosaik tembakau, lalu menunjukkan bahwa agen itu berupa protein dengan (sebagaimana ditemukan Bawden dan Pirie) RNA. Hershey dan Chase (1952) menandai protein sebuah bakteriofag dengan S dan DNA-nya dengan P, membiarkannya menginfeksi E. coli, menggunting lepas mantel kosongnya di dalam sebuah pengaduk, lalu menemukan P di dalam selnya dan S di luarnya: DNA-lah yang masuk dan proteinnya tertinggal, sehingga DNA itulah pembawa petunjuknya. Fraenkel-Conrat (1955) mengurai virus mosaik tembakau menjadi protein dan RNA lalu menyusun kembali partikel menular dari RNA satu galur dan protein galur lain; keturunannya bergalur seperti RNA-nya. ∎
Proposisi 13.2 (Ekonomi genetik: mengapa kapsid bersimetri)
Sebuah kapsid harus mengurung genom yang menyandinya. Sebuah protein bermassa memerlukan sekitar kodon, yakni nukleotida, yaitu sepotong RNA yang berbobot sekitar : tiap protein disandi oleh asam nukleat yang bermassa sembilan kali massanya sendiri. Sebuah cangkang yang dibuat dari satu molekul protein yang mengurung sebuah genom harus mengurung genom bermassa sembilan kali massanya sendiri hanya untuk menyandi dirinya, padahal sebuah cangkang tidak dapat memuat asam nukleat sembilan kali massanya sendiri pada kerapatan biologis. Jalan keluarnya, yang dilihat Crick dan Watson (1956), adalah membangun cangkang itu dari banyak salinan satu protein kecil: virus mosaik tembakau menyandi sebuah protein mantel di dalam dari genomnya yang , lalu memakai salinannya. Subunit yang serupa dan berkemas serupa harus tersusun secara simetris, sehingga kapsid virus berupa heliks atau ikosahedron, dan ekonomi yang sama memberinya kemampuan merakit diri, sebab tiap subunit hanya perlu mengenali tetangganya.
Bukti. Nisbah massanya menyusul dari sebuah kodon yang berupa tiga nukleotida yang masing-masing sekitar dan sebuah residu yang sekitar : . Sebuah kapsid dari satu protein akan mengurung asam nukleat, yakni sebuah bola berjejari sekitar pada kerapatan asam nukleat, sedangkan proteinnya sendiri akan membuat sebuah cangkang setebal sekitar dengan jejari yang sama — mungkin secara geometris, tetapi sebuah polipeptida tunggal beranggota residu yang melipat dengan benar tidaklah mungkin, dan satu mutasi akan merusaknya. Dengan subunit yang serupa, ongkos penyandiannya turun sebesar sementara volume yang terkurung tidak berubah. ∎
13.2 Bagaimana virus memperbanyak diri
Definisi 13.3 (Daur replikasi)
Setiap virus melewati tahap yang sama. Pelekatan pada sebuah reseptor inang tertentu — CD4 dan sebuah reseptor kemokin bagi HIV, ACE2 bagi koronavirus SARS, asam sialat bagi influenza, sebuah lipopolisakarida atau sebuah porin bagi sebuah fag — yang memutuskan spesies dan sel mana yang dapat diinfeksi virus itu (yakni tropisme-nya). Pemasukan: peleburan selubung virus dengan membran plasma, atau endositosis yang disusul peleburan dari dalam endosom yang asam, atau, bagi sebuah fag, penyuntikan genom menembus dindingnya. Pengupasan mantel, pengungkapan gen virus lewat jalan yang khas bagi kelasnya, serta replikasi genomnya, kerap di dalam sebuah pabrik yang dibangun virus itu di dalam sitoplasma atau inti. Perakitan kapsid baru di sekeliling genom baru, yang didorong oleh perakitan diri subunit yang simetris, lalu pelepasan: dengan melisiskan selnya, atau dengan menguncup menembus sebuah membran, yang memasok selubungnya. Sebagian virus dapat justru menyisipkan genomnya ke dalam genom inang lalu menunggu: lisogeni fag , yang penekannya menjaganya tetap bungkam sampai inangnya rusak; latensi herpesvirus di dalam neuron seumur hidup dan latensi HIV sebagai sebuah provirus di dalam sel T yang beristirahat, yang darinya ia tidak disingkirkan oleh obat apa pun yang bekerja pada replikasi.
Metode 13.4 (Mencacah partikel menular: uji plak)
Untuk mengukur sebuah stok virus: (1) encerkanlah ia dalam langkah sepuluh kali lipat; (2) campurkanlah tiap pengenceran dengan sel inang berlebih — bakteri di dalam agar lunak bagi sebuah fag, sebuah lapisan tunggal sel biakan bagi sebuah virus hewan; (3) eramkanlah: tiap partikel menular menginfeksi satu sel, keturunannya menginfeksi tetangganya, dan sesudah sehari atau dua hari sebuah lubang bening, sebuah plak, menandai tempatnya; (4) cacahlah plak pada lempeng yang bermuatan lalu kalikanlah dengan pengencerannya: itulah titer dalam satuan pembentuk plak (PFU) per mililiter. Karena tiap plak adalah klona satu partikel, memungutnya menghasilkan sebuah isolat murni. Nisbah partikel fisis (yang dicacah dengan mikroskop elektron atau PCR) terhadap satuan pembentuk plak biasanya jauh di atas satu — sepuluh sampai seribu bagi banyak virus hewan — sebab kebanyakan partikel cacat atau gagal menginfeksi.
Teorema 13.5 (Dinamika infeksi di dalam satu inang)
Misalkanlah kerapatan sel sasaran yang rentan, kerapatan sel yang terinfeksi, dan kerapatan virion bebas. Virion menginfeksi sasaran dengan laju , sel terinfeksi menghasilkan virion dengan laju tiap sel lalu mati dengan laju , dan virion bebas disingkirkan dengan laju :
Dengan ditahan tetap, infeksinya tumbuh bila bilangan reproduksi dasar melebihi , dan pada keadaan mantap dengan produksi mengimbangi penyingkiran. Bila sebuah obat menghentikan semua infeksi baru pada (), virion meluruh mula-mula dengan laju penyingkiran , lalu, begitu virus bebas turun ke aras yang dipertahankan sel terinfeksi yang tersisa, dengan laju kematian sel itu:
Kedua kemiringan muatan virus sesudah pengobatan mengukur dan , dan memberikan produksi virion harian sebelum pengobatan.
Bukti. Sebuah sel terinfeksi hidup rata-rata dan membuat virion; tiap virion hidup lalu menginfeksi sel dalam waktu itu; hasil kalinya adalah banyaknya sel terinfeksi yang ditimbulkan satu sel terinfeksi, yaitu . Pada keadaan mantap memberikan . Sesudah pengobatan , sehingga , dan adalah persamaan linear yang penyelesaiannya dengan berupa ungkapan yang diberikan (periksalah: pada ia sama dengan , dan ia memenuhi persamaannya suku demi suku). Bagi suku telah lenyap dan mengikuti sel terinfeksi dengan kemiringan ; bagi dan kemiringan awalnya . ∎
Contoh 13.6 (HIV sebelum dan sesudah persamaannya)
Sampai tahun 1995 tahun-tahun latensi klinis infeksi HIV — muatan virus yang mantap sebesar – salinan per mililiter dan penurunan lambat sel T — dibaca sebagai virus yang lelap. Ho, Perelson, dan rekannya memberi pasien sebuah penghambat protease lalu mencocokkan penurunan muatan virus itu dengan teoremanya: fase cepatnya memberi (paruh hidup virion sekitar enam jam), fase lambatnya (sebuah sel terinfeksi hidup sekitar satu setengah hari). Muatan mantap sebesar per mililiter di dalam cairan tubuh, yang disingkirkan dengan laju , karena itu menuntut produksi sekitar virion sehari, tiap hari, bertahun-tahun: masa “laten” itu adalah keadaan mantap infeksi dan kematian yang garang, dengan kumpulan sel T tergantikan tiap hari sampai ia gagal. Aritmetika mutasi pada bagian berikutnya lalu menyusul seketika, dan bersamanya alasan mengapa obat tunggal gagal sementara tiga obat tidak.
13.3 Bagaimana virus berevolusi
Definisi 13.7 (Mutasi, kuasispesies, hanyutan dan pergeseran)
Polimerase bergantung-RNA dan transkriptase balik tidak melakukan uji baca, dan virus RNA bermutasi pada sampai per nukleotida per penggandaan — seribu sampai sejuta kali laju inangnya — sehingga sebuah populasi virus RNA berupa awan genom berkerabat, sebuah kuasispesies, yang di dalamnya tiap mutan titik tunggal hadir setiap saat bila populasinya besar. Seleksi oleh antibodi mendorong hanyutan antigen: protein permukaan influenza menimbun substitusi tahun demi tahun, dan imunitas tahun lalu makin sedikit melindungi tiap musim. Pergeseran antigen adalah sebuah lompatan: sebuah genom bersegmen (influenza punya delapan segmen RNA) dapat disusun ulang ketika dua galur menginfeksi satu sel, dan sebuah segmen yang menyandi sebuah hemaglutinin dari virus burung atau babi, yang terhadapnya tidak seorang manusia pun punya imunitas, menghasilkan sebuah pandemi — 1918, 1957, 1968, 2009. Rekombinasi di dalam sebuah genom melakukan hal yang sama bagi virus yang tidak bersegmen, dan koronavirus berekombinasi dengan leluasa. Kebanyakan virus manusia yang baru adalah zoonosis, yang menyeberang dari sebuah wadah hewan — kelelawar bagi koronavirus, Ebola, dan rabies; burung dan babi bagi influenza; primata bagi HIV — dan penyeberangan itu biasanya soal beberapa mutasi pada sebuah protein pengikat reseptor.
Proposisi 13.8 (Ambang galat)
Sebuah genom beranggota nukleotida yang disalin dengan laju galat per nukleotida tersalin tanpa galat sama sekali dengan peluang . Agar urutan yang terbugar bertahan di dalam populasinya melawan banjir mutannya, pecahan salinan yang bebas galat harus melebihi kira-kira kebalikan keunggulan terpilihnya : , yakni , sebuah bilangan berorde satu. Hasil kali laju mutasi dan panjang genom karena itu terbatas: sebuah virus RNA dengan tidak dapat memiliki genom yang jauh lebih panjang daripada nukleotida, yang kira-kira sepanjang genom virus RNA, dan koronavirus, yang pada merupakan genom RNA terpanjang yang dikenal, mencapainya hanya dengan menyandi sebuah eksonuklease penguji baca yang memangkas sepuluh kali lipat. Ambangnya juga sebuah senjata: obat yang menaikkan laju galat polimerase (ribavirin, molnupiravir) mendorong sebuah virus melewatinya masuk ke bencana galat, dan kuasispesiesnya runtuh.
Bukti. Galat yang saling bebas pada tiap dari tapak memberikan peluang bebas galat , dan bagi yang kecil. Neraca populasinya adalah hujah kuasispesies yang baku (Eigen, 1971): urutan induknya diisi ulang dengan laju relatif terhadap mutan rata-rata lalu hilang karena mutasi selebihnya; ia dipertahankan hanya bila yang pertama melebihi , dan dari situlah batas itu berasal. ∎
Contoh 13.9 (Mengapa HIV memerlukan tiga obat)
Transkriptase balik HIV keliru sekitar sekali tiap nukleotida, sehingga tiap genom yang disalin mengusung sekitar mutasi, dan genom baru sehari mengusung mutasi di antaranya: tiap satu dari mutasi titik tunggal yang mungkin muncul berkali-kali setiap hari, sebelum obat apa pun diberikan. Sebuah obat yang dikalahkan satu mutasi — sebagaimana satu mutasi mengalahkan kebanyakan penghambat transkriptase balik dan penghambat protease — karena itu dikalahkan dalam hitungan minggu, dan itulah yang menimpa AZT pada tahun 1987. Dua mutasi yang saling bebas muncul bersama pada per genom, sekitar sekali sehari; tiga mutasi pada , sekali tiap seribu hari — dan seorang pasien dengan tiga obat yang muatannya telah turun seribu kali lipat menghasilkan genom sehari, sehingga mutan rangkap tiga itu tidak pernah muncul. Hal itu, dan pembuktian teoremanya bahwa virusnya sedang menggandakan diri dengan kecepatan penuh, menjadikan terapi gabungan sejak tahun 1996 pengobatan yang mengubah AIDS menjadi sebuah keadaan menahun.
13.4 Inang, pertahanan, dan obat
Proposisi 13.10 (Patogenesis dan pertahanan)
Sebuah virus merugikan dengan melisiskan sel (polio memusnahkan neuron motorik, HIV membunuh sel T), dengan membuat sel menghasilkan produk beracun, dengan mengubahnya (Bab 11), dan kerap terutama lewat tanggapan inang itu sendiri: demam, kerusakan jaringan dan, pada keadaan terburuk, badai sitokin reaksi imun terhadap influenza atau koronavirus SARS. Inangnya menjawab dengan pertahanan bawaan yang mengenali tanda tangan penggandaan virus — RNA untai ganda, RNA tanpa tudung, DNA di dalam sitosol — lalu menanggapinya dengan interferon, yang menaruh tiap sel tetangga ke dalam keadaan antivirus (Bab 15); dengan sel pembunuh alami yang memusnahkan sel yang telah menyembunyikan MHC-nya; dengan antibodi yang menetralkan virion dan sel T sitotoksik yang membunuh sel terinfeksi sebelum sel itu melepaskan keturunannya (Bab 16); dan, pada bakteri, dengan enzim restriksi yang memotong DNA asing serta ingatan CRISPR pada Bab 6. Virus menjawab balik: hampir tiap virus besar menyandi protein yang menghalangi interferon, menyembunyikan MHC, meniru sitokin, atau menghambat apoptosis, dan perlombaan senjatanya tertulis di dalam kedua genom.
Definisi 13.11 (Obat antivirus dan vaksin)
Obat antivirus menyerang enzim virus atau langkah yang tidak dilakukan sel inang. Analog nukleosida adalah penamat rantai: asiklovir difosforilasi hanya oleh timidin kinase herpesvirus lalu menghalangi DNA polimerase virus, sehingga ia bekerja hanya di dalam sel terinfeksi; AZT, tenofovir, dan lamivudin menghentikan transkriptase balik; remdesivir dan molnupiravir bekerja pada polimerase koronavirus, yang kedua lewat mutagenesis. Penghambat protease menghalangi pemotongan poliprotein virus (HIV, hepatitis C, nirmatrelvir bagi SARS-CoV-2). Penghambat integrase menghentikan pembentukan provirus HIV; penghambat neuraminidase menghentikan virion influenza melepaskan diri dari sel yang darinya ia menguncup; penghambat pemasukan menghalangi sebuah reseptor. Virus hepatitis C kini disembuhkan dalam dua belas minggu oleh gabungan obat yang bekerja langsung, yakni infeksi virus menahun pertama yang pernah disembuhkan oleh kemoterapi. Vaksin menyajikan antigen virus tanpa penyakitnya: sebuah virus hidup yang dilemahkan (campak, polio lewat mulut, demam kuning), sebuah virus yang dimatikan (polio lewat suntikan, influenza), sebuah subunit (antigen permukaan hepatitis B yang dibuat di dalam khamir, protein kapsid virus papiloma), sebuah vektor virus tak berbahaya yang mengusung sebuah gen sasarannya, atau, sejak tahun 2020, RNA duta yang menyandi antigennya, yang diantarkan di dalam nanopartikel lipid, yang diterjemahkan oleh sel penerimanya sendiri. Imunologi mengapa semuanya bekerja, dan berapa banyak orang yang harus divaksinasi untuk melindungi sisanya, adalah pokok Bab 16.
Catatan 13.12 (Virus dalam ekonomi kehidupan)
Virus yang merugikan manusia hanyalah galat pembulatan di dalam populasi virus dunia, yang kebanyakannya menginfeksi bakteri dan arkea. Fag membunuh seperlima sampai sepertiga bakteri lautan tiap hari lalu mengembalikan isinya ke kumpulan terlarut — pintasan virus pada daur karbon di dalam jilid Tahun 2. Mereka memindahkan gen antarbakteri (Bab 12), dan racunnya adalah racun difteri, kolera, dan E. coli yang terburuk. Delapan persen genom manusia adalah sisa retrovirus purba (Bab 4), yang salah satu gen selubungnya kini meleburkan sel plasenta. Virus adalah wadah kebaruan genetik terbesar di planet ini, dan batas antara apa yang terhitung hidup melintas di tengah mereka.
13.5 Latihan
Latihan 13.1 ★
Tempatkanlah polio, influenza, HIV, herpes simpleks, hepatitis B, dan rotavirus pada kelas Baltimore-nya lalu sebutkanlah enzim apa yang harus dibawa atau dibuat masing-masing yang tidak dipunyai sel.
Solusi
Solusi Latihan 13.1.
Polio: IV, RNA untai positif — sebuah RNA polimerase bergantung-RNA. Influenza: V, RNA untai negatif — RNA polimerasenya sendiri, yang diusung di dalam virion. HIV: VI — transkriptase balik (dan integrase). Herpes simpleks: I, DNA untai ganda — inangnya pada asasnya dapat memasok segalanya, tetapi ia membawa DNA polimerase dan timidin kinasenya sendiri. Hepatitis B: VII — sebuah transkriptase balik untuk menyalin RNA pragenomnya menjadi DNA. Rotavirus: III, RNA untai ganda — sebuah RNA polimerase bergantung-RNA di dalam partikelnya.
Latihan 13.2 ★
Apa yang ditunjukkan percobaan Hershey–Chase, dan apa yang akan ditemukan seandainya proteinlah yang mengusung petunjuknya?
Solusi
Solusi Latihan 13.2.
DNA fag itu (P) memasuki bakterinya dan proteinnya (S) tinggal di luar lalu dapat digunting lepas; fag keturunannya mewarisi P itu. Jadi DNA-lah yang disuntikkan fag itu dan yang mengarahkan pembuatan fag baru. Seandainya proteinlah yang mengusung petunjuknya, S akan ditemukan di dalam lalu diteruskan ke keturunannya.
Latihan 13.3 ★
Sebuah stok fag yang diencerkan memberi plak dari . Berapa titernya? Mengapa mikroskop elektron dapat mencacah partikel sepuluh kali lebih banyak?
Solusi
Solusi Latihan 13.3.
satuan pembentuk plak per mL. Mikroskopnya mencacah tiap partikel, termasuk kapsid kosong, partikel bergenom cacat, dan partikel yang gagal melekat atau menyuntik; hanya partikel yang menuntaskan sebuah infeksi yang membuat plak.
Latihan 13.4 ★
Sebutkanlah keenam tahap sebuah daur replikasi dan, bagi tiap tahap, namailah satu obat antivirus atau satu pertahanan inang yang bekerja padanya.
Solusi
Solusi Latihan 13.4.
Pelekatan: penghambat pemasukan (maravirok), antibodi penetral. Pemasukan atau peleburan: penghambat peleburan, penghalang pengasaman endosom. Pengupasan mantel: obat pengikat kapsid (plekonaril; lenakapavir). Pengungkapan dan penggandaan: analog nukleosida, penghambat transkriptase balik dan penghambat integrase, interferon, interferensi RNA. Perakitan: penghambat protease (poliprotein yang belum terpotong tidak dapat merakit). Pelepasan: penghambat neuraminidase (influenza), dan sel T sitotoksik yang membunuh selnya sebelum pelepasan.
Latihan 13.5 ★★
Dengan memakai Proposisi 13.2, hitunglah asam nukleat yang diperlukan untuk menyandi kapsid sebuah virus yang terbuat dari salinan sebuah protein , lalu bandingkanlah dengan genom yang mungkin dipunyai virus semacam itu. Berapa pecahan genom yang berupa gen kapsidnya?
Solusi
Solusi Latihan 13.5.
Satu protein berupa residu, yaitu nukleotida: , yakni dari genom . Menyandi salinannya secara terpisah akan memakan , yakni tiga puluh tiga kali seluruh genomnya; protein kapsidnya sendiri () berbobot empat kali genomnya ().
Latihan 13.6 ★★
Dengan , , dan per mL, hitunglah dari teoremanya pada , , dan hari. Berapa lama sampai muatannya turun di bawah per mL, yakni batas pendeteksian?
Solusi
Solusi Latihan 13.6.
: : ; : ; : . Di bawah ketika : .
Latihan 13.7 ★★
Sebuah virus RNA memiliki dan . Berapa pecahan genom keturunannya yang tidak mengusung mutasi? Apa yang terjadi pada pecahan itu bila sebuah obat mutagen menaikkan tiga kali lipat? Jelaskanlah mengapa koronavirus memerlukan sebuah enzim penguji baca.
Solusi
Solusi Latihan 13.7.
; pecahan bebas galat . Tiga kali lipat: , — kebanyakan keturunannya kini mengusung mutasi dan urutan terbugarnya terencerkan ke arah ambangnya. Sebuah koronavirus pada dengan akan punya dan hanya salinan bebas galat, yakni melewati ambangnya; eksonukleasenya membawa ke , , yakni tiga perempat bebas galat.
Latihan 13.8 ★★
Jelaskanlah hanyutan dan pergeseran antigen pada influenza, dan mengapa sebuah galur pandemi sejauh ini selalu mengusung sebuah hemaglutinin baru.
Solusi
Solusi Latihan 13.8.
Hanyutan: mutasi titik pada hemaglutinin dan neuraminidase menimbun di bawah seleksi antibodi, sehingga galur tiap musim sebagian baru dan imunitas tahun lalu sebagian usang. Pergeseran: infeksi bersama satu sel oleh sebuah galur manusia dan sebuah galur hewan menyusun ulang kedelapan segmennya, dan sebuah subtipe hemaglutinin dari burung atau babi muncul di dalam sebuah virus yang teradaptasi pada manusia. Tak seorang pun punya antibodi terhadap subtipe yang baru itu, sehingga seluruh populasi rentan sekaligus — yakni syarat sebuah pandemi, yang terpenuhi pada tahun 1918, 1957, 1968, dan 2009 oleh sebuah hemaglutinin baru tiap kali.
Latihan 13.9 ★★
Asiklovir adalah sebuah analog guanosin yang harus difosforilasi agar bekerja. Jelaskanlah mengapa ia merugikan sel yang terinfeksi herpes dan bukan sel lain, lalu ramalkanlah mutasi kekebalannya.
Solusi
Solusi Latihan 13.9.
Timidin kinase herpesvirus memfosforilasi asiklovir, yang hampir tidak disentuh kinase sel; kinase sel lalu merampungkan trifosfatnya, yang disisipkan DNA polimerase virus dan, karena tidak punya hidroksil 3, menamatkan rantainya. Sel yang tidak terinfeksi tidak pernah membuat bentuk aktifnya, dan polimerase virus lebih menyukainya daripada polimerase sel. Kekebalan: hilangnya atau berubahnya timidin kinase virus (yang terlazim), atau mutasi pada polimerase virus yang menyingkirkan analognya.
Latihan 13.10 ★★★
Turunkanlah dari kedua persamaan teoremanya dengan mencari syarat agar sebuah infeksi kecil (, dekat nol, tetap) bertumbuh, lalu tafsirkanlah tiap faktornya.
Solusi
Solusi Latihan 13.10.
Dengan tetap, persamaannya linear dalam dengan matriks , yang jumlah diagonalnya dan determinannya . Nilai eigennya berjumlah negatif, sehingga salah satunya positif tepat ketika determinannya negatif: , yakni . Faktornya: adalah banyaknya virion yang dibuat sebuah sel terinfeksi selama hidupnya; adalah banyaknya sel yang diinfeksi sebuah virion selama hidupnya; hasil kalinya adalah banyaknya sel terinfeksi yang dihasilkan satu sel terinfeksi.
Latihan 13.11 ★★★
Seorang pasien dengan terapi yang mujarab masih menyimpan sel T beristirahat yang terinfeksi laten dan provirusnya bungkam, dengan paruh hidup bulan. Berapa lama terapinya harus berlanjut agar wadah itu turun di bawah satu sel? Mengapa hal ini membuat HIV tidak tersembuhkan oleh obat yang menghalangi penggandaan, dan apa yang akan dituntut sebuah kesembuhan?
Solusi
Solusi Latihan 13.11.
: dua puluh paruh hidup, bulan, sekitar tahun — lebih lama daripada satu kehidupan. Obat yang menghalangi penggandaan tidak menyentuh sebuah provirus yang tidak sedang ditranskripsi; wadahnya bertahan, dan ketika terapinya berhenti satu sel yang mengaktif kembali memulai lagi infeksinya. Sebuah kesembuhan harus menyingkirkan atau membungkam wadah itu selamanya: membunuh sel latennya (mengaktifkannya kembali di bawah terapi sehingga ia mati atau dibunuh), memotong keluar atau melumpuhkan provirusnya, atau mengganti sistem imunnya dengan yang tidak dapat diinfeksi virus itu.
Latihan 13.12 ★★★
Jelaskanlah hujah Contoh 13.9 dengan angka Anda sendiri bagi sebuah virus dengan yang menghasilkan genom sehari. Berapa banyak obat yang akan Anda gabungkan, dan mengapa obat terhadap dua tapak enzim yang sama mungkin tidak terhitung dua?
Solusi
Solusi Latihan 13.12.
mutasi per genom; genom sehari mengusung mutasi di antara mutasi tunggal yang mungkin: masing-masing muncul sekitar kali sehari. Sebuah mutan rangkap dua tertentu muncul pada per genom, yakni sehari — sekali dalam tiga tahun; sebuah rangkap tiga pada , tidak pernah. Dua obat dengan mutasi kekebalan yang saling bebas akan mencukupi pada asasnya, tiga memberi selisih bagi kepatuhan yang buruk. Dua obat yang mengikat enzim yang sama dapat dikalahkan satu mutasi yang mengubah tapaknya atau konformasi enzimnya, dan mutasi kekebalannya tidak saling bebas; keduanya terhitung kurang dari dua.
13.6 Soal: Sebuah Virus di dalam Seorang Pasien
Soal 13.1
Soal akhir pekan — sebuah infeksi HIV yang dicacah virion demi virion, dinamikanya dicocokkan dengan sebuah kurva pengobatan, mutasinya dihitung terhadap obatnya, dan wadahnya ditakar waktunya, berakhir pada produksi virion harian, hari ketika muatannya menjadi tak terdeteksi, serta peluang bahwa sebuah mutan rangkap tiga ada
Data: muatan virus per mL di dalam cairan tubuh; , ; tiap sel terinfeksi membuat virion sehari; genom , per nukleotida per penggandaan; mutasi tunggal memberi kekebalan terhadap masing-masing dari tiga obat; pada terapi rangkap tiga produksinya turun ke genom sehari; wadah laten sel, paruh hidup bulan; sebuah virion berupa bola yang berisi dua untai RNA dan sekitar molekul protein .
Bagian I — Mencacah.
- Berapa banyak virion yang ada di dalam tubuh pada keadaan mantap?
- Berapa banyak yang disingkirkan tiap hari, dan karenanya dihasilkan tiap hari?
- Berapa banyak sel terinfeksi yang menghasilkannya, dan berapa banyak yang mati tiap hari?
- Berapa massa satu virion (RNA sebesar per nukleotida ditambah proteinnya), dan berapa massa total virion di dalam tubuh? Bandingkanlah dengan sebutir pasir ().
- Tubuh punya sel T CD4 dan menggantikan yang terinfeksi. Berapa pecahan kumpulan itu yang terinfeksi setiap saat, dan bagaimana pecahan sekecil itu membunuh kumpulannya dalam sepuluh tahun?
- Bila tiap sel terinfeksi mati dengan apoptosis lalu ditelan dalam sejam (Bab 10), berapa banyak yang sedang disingkirkan setiap saat?
Bagian II — Pengobatan.
- Terapi menghentikan infeksi baru pada . Hitunglah pada , , , dan hari dari teoremanya.
- Pada hari keberapa muatannya turun di bawah batas pendeteksian per mL?
- Dari kedua kemiringan, bagaimana seorang klinisi akan menaksir dan dari pengukuran pada hari – dan –?
- Sesudah kedua fase itu muatannya mendatar pada beberapa salinan per mL lalu bertahan di sana bertahun-tahun. Petak model mana yang hilang, dan berapa laju peluruhannya?
- Hitunglah paruh hidup sebuah virion bebas dan sebuah sel terinfeksi.
- Jelaskanlah mengapa dataran sebelum pengobatan salah dibaca sebagai latensi, dan apa yang justru ditunjukkan persamaannya.
Bagian III — Mutasi.
- Mutasi per genom per penggandaan, dan mutasi yang dihasilkan tiap hari pada pasien yang tidak diobati.
- Berapa banyak mutasi titik tunggal berbeda yang mungkin di dalam genomnya? Berapa kali tiap hari masing-masing muncul?
- Laju per genom sebuah mutan rangkap dua tertentu dan sebuah mutan rangkap tiga tertentu; berapa banyak masing-masing muncul tiap hari tanpa obat?
- Pada terapi rangkap tiga, dengan genom sehari, berapa harapan mutan rangkap tiga tiap tahun?
- Pasiennya melewatkan dosis sehingga aras satu obat jatuh ke nol selama seminggu sementara kedua obat lain bertahan. Mutan mana yang kini dapat terpilih, dan berapa harapan banyaknya mutan rangkap dua yang bersangkutan yang dihasilkan pada minggu itu pada genom sehari?
- Mengapa kekebalan terhadap satu analog nukleosida kerap memberi kekebalan terhadap analog lain, dan bagaimana hal itu mengubah cacah obat yang “saling bebas”?
Bagian IV — Wadah dan kesembuhan.
- Dengan paruh hidup bulan, berapa lama sampai sel laten turun menjadi satu? Menjadi ?
- Bila terapinya dihentikan, satu sel laten yang mengaktif kembali sudah cukup untuk memulai lagi infeksinya. Berapa lama sesudah dihentikan muatannya kembali ke per mL, bila ia tumbuh dengan per generasi hari dari satu virion?
- Usulkanlah dua siasat kesembuhan yang menyusul dari modelnya, lalu nyatakanlah penghalang bagi masing-masing.
- teoremanya berlaku di dalam satu inang. Sebuah populasi bagi HIV antarorang sekitar –. Berapa pecahan penularan yang harus dicegah untuk mengakhiri wabahnya ()?
- Pengobatan menurunkan kemampuan menular seorang pasien pada dasarnya ke nol. Jelaskanlah bagaimana “pengobatan sebagai pencegahan” menyusul dari teorema dalam-inang itu.
- Sebuah vaksin berkemujaraban (pecahan orang tervaksinasi yang terlindungi) yang diberikan kepada pecahan populasi melindungi bagiannya. Cakupan berapa yang diperlukan untuk mencapai ambang pertanyaan sebelumnya dengan ? Dengan ? Apa makna jawaban yang pertama?
- Ringkaslah: virion yang dihasilkan tiap hari (pertanyaan 2), hari ketika muatannya menjadi tak terdeteksi (pertanyaan 8), serta harapan banyaknya mutan rangkap tiga tiap tahun pada terapi (pertanyaan 16).
Solusi
Solusi Soal 13.1.
1. virion. 2. Disingkirkan sehari; dihasilkan sebanyak itu pula. 3. sel terinfeksi; yang mati sehari. 4. RNA Da; protein Da; seluruhnya Da g. Seluruh virion bersama: g, yakni sepertiga mikrogram — tiga ribu kali lebih ringan daripada sebutir pasir. 5. dari kumpulannya. Sepuluh tahun dengan kematian sehari berjumlah sel, yakni tiga persen kumpulannya: kumpulan itu gagal bukan karena pengurangan aritmetis melainkan karena sedasawarsa peremajaan paksa dan pengaktifan menahun menghabiskan kemampuan menggantikannya. 6. bangkai yang sedang disingkirkan setiap saat. 7. : : ; : ; : ; : . 8. : hari. 9. Hari 3–10 terletak pada fase lambatnya: kemiringan di sana adalah (dari ke dalam tujuh hari, ). Fase cepatnya berlangsung hanya beberapa jam (), sehingga menuntut contoh tiap beberapa jam pada hari pertama, yang dicocokkan dengan rumus dwieksponensialnya. 10. Sel yang terinfeksi laten, yang melepaskan virus ketika ia mengaktif kembali; laju peluruhannya per bulan, yakni sekitar per hari. 11. Virion , sekitar ; sel terinfeksi . 12. Muatan yang tetap tampak seperti virus yang tidak berbuat apa-apa; persamaannya menunjukkannya sebagai keadaan mantap yang di dalamnya virion dibuat lalu disingkirkan dan sel T diinfeksi lalu dibunuh tiap hari. 13. mutasi per genom; mutasi sehari. 14. mutasi tunggal yang mungkin; masing-masing muncul kali sehari. 15. Rangkap dua tertentu: per genom, sekitar sekali sehari tanpa obat; rangkap tiga tertentu: , yakni sehari — sekali dalam tiga abad. 16. sehari, setahun. 17. Dengan satu obat hilang, mutan yang kebal terhadap kedua obat lain sudah cukup: sebuah rangkap dua tertentu pada ; genom dalam seminggu memberi harapan — masih kecil kemungkinannya, kecuali bila muatannya melambung kembali ke arah sehari selama kelalaian itu, ketika ia menjadi satu sehari dan pelariannya menjadi mungkin. Dosis yang terlewat adalah cara kekebalan datang. 18. Analognya berbagi tapak aktif transkriptase balik, dan satu mutasi di sana (atau satu himpunan mutasi analog timidin) mengubah penanganan beberapa di antaranya oleh enzim itu: kekebalan silang. Dua nukleosida terhitung kurang dari dua obat yang saling bebas, sehingga regimennya menggabungkan kelas — sebuah nukleosida, sebuah penghambat integrase, sebuah penghambat protease atau sebuah nonnukleosida. 19. paruh hidup, bulan, tahun; menjadi , paruh hidup, bulan, tahun. 20. Dari satu virion menjadi pada per generasi: generasi, yakni tiga minggu. 21. Kejut lalu bunuh: aktifkanlah kembali sel latennya di bawah terapi supaya mereka mati atau dibunuh — penghalangnya: tidak ada bahan yang mengaktifkan semuanya kembali, dan sel yang teraktifkan kembali tidak terbunuh dengan andal. Penyuntingan gen: potonglah keluar provirusnya atau musnahkanlah reseptor CCR5 di dalam sel pasiennya — penghalangnya: menjangkau tiap sel. (Mengganti sumsumnya dengan sel donor yang tidak ber-CCR5 telah menyembuhkan segelintir pasien pada risiko yang hanya diterima bila cangkoknya memang diperlukan.) 22. : bagi , bagi . 23. Terapi menetapkan di dalam pasiennya, muatannya turun menurut teoremanya hingga hampir nol, dan penularan, yang sebanding dengan muatannya, berhenti; mengobati tiap orang terinfeksi mendorong populasinya di bawah satu. 24. : dengan dan , — lebih daripada semua orang: vaksinnya sendiri tidak dapat mencapai ambangnya; dengan , . 25. Sekitar virion dihasilkan sehari; tak terdeteksi pada sekitar hari ; sekitar mutan rangkap tiga setahun pada terapi.