Virus: en grådig algoritme

corona-5174671_1920

Coronavirus. Foto: Gerd Altmann fra Pixabay 

Teste, teste, teste. Omfattende testing er nødvendig for å identifisere og isolere dem som er smittet av SARS-CoV-2, viruset som forårsaker Covid-19. Men hvordan foregår egentlig selve testingen? Og hva er egentlig et virus?

For ett år siden hadde ingen hørt om SARS-CoV-2. I dag har viruset spredt seg til nesten alle land i verden, og smittet mer enn 70 millioner mennesker. Viruset har ødelagt økonomier, sprengt helsevesen og fylt opp sykehus. Mange har mistet jobben sin og enda flere har mistet kontakten med venner og familie. SARS-CoV-2-viruset har endret det moderne samfunnet på måter som de fleste aldri tidligere har opplevd.

For å hindre spredning kreves det egne tester som kan identifisere personer som er smittet, isolere dem og spore opp alle de har vært i kontakt med. Men hvordan foregår egentlig disse testene? Og hva er det som gjør koronaviruset så spesielt?

For å få svar spurte jeg to molekylærbiologer, en genetiker, en virusekspert og en laboratorieassistent ved Bærum sykehus. Historiene deres tok meg med tilbake i tid, til 1869 og til nederlandske bønder som oppdaget noen mystiske flekker på plantene de dyrket, til spesielle bakterier i varme kilder i Yellowstone, og til en norsk kjemiker som ble snytt for en nobelpris av en amerikansk biokjemiker på LSD.

Men la oss starte med en av dem som faktisk er involvert i selve SARS-CoV-2-prøvetakingen på mennesker, Varna Thangavel, student og laboratorieassistent ved Bærum sykehus.

 

Å teste for koronasmitte

Varna Thangavel studerer bioteknologi ved Norges miljø- og biovitenskapelige universitet (NMBU). Hun holder på med en masteroppgave på salat der de skal benytte CRISPR-teknologi for å slå ut gener som gjør salaten mer følsom for sykdom. Veilederne hennes er NIBIO-forskerne Tage Thorstensen og May Bente Brurberg.

Allerede i februar-mars 2020 startet studentene ved NMBU å søke om sommerjobb, og som masterstudent i bioteknologi var Thangavel interessert i relevant praksis. Derfor søkte hun blant annet på stillingen som laboratorieassistent ved Bærum sykehus.

– Og så kom korona – og da fikk vi beskjed om at det skulle bli enda vanskeligere å få jobb. Men så i påskeferien fikk jeg beskjed om at de ville ansette meg, forteller hun.

Bioteknologi-studenten så på det som en gyllen mulighet.

– Ja, spesielt når det er krisetider og man føler seg så hjelpesløs for at man ikke får hjulpet til. Og siden jeg har lært ting på studiet som jeg kan bidra med, så er jo det kjempebra.

Thangavel begynt i jobben på Bærum sykehus i juni, og i starten var det mye som skulle gjøres klar når det gjaldt maskinen som utførte selve koronatestene, og med tilhørende reagenser. De ansatte merket raskt at det ble mer trykk på prøvelaboratoriet i dét myndighetene åpnet for at alle kunne teste seg.

 

Prøvetaking på Fornebu – litt som å være på bilvask

Men, hvordan foregår selve testingen – fra prøven tas i nese eller svelg og frem til analysen er klar og resultatet sendes til HelseNorge? NMBU-studenten forklarer hele prosedyren.

– Bærums befolkning har teststasjon på Fornebu. Og man bestiller time. Selve prøvetakingen kjennes litt ut som en bilvask. Du står i kø. Du kjører bilen inn. Og så kommer det en eller to personer ut – med full drakt – og forklarer veldig grundig hva som kommer til å skje.

– Mange er livredde for å ta testen, fordi de har hørt så mange skrekkhistorier om at det gjør vondt og sånn. Jeg var ganske redd selv, men jeg synes ikke det gjorde noe vondt i det hele tatt, forteller Thangavel.

Hun forklarer at det først er pinne i halsen. Deretter blir pinnen knekt av, og bomullsdotten med selve prøven puttet i et rør. Til slutt blir alle prøvene samlet og plassert i egne stativ.

Gjennom hele sommeren fikk COVID-19-laboratoriet på Bærum sykehus inn prøver fra Fornebu klokken 12 og klokken 15, med cirka 100 prøver av gangen. I starten hadde rørene litt ulik farge på korkene, men utover høsten ble det benyttet større rør – og med mer væske i hvert rør.

– Det er bra med mer væske, for det er jo på væsken vi analyserer.

Ved ankomstregistrering skannes strekkoden på rørene, og på datamaskinen kommer det opp personopplysninger og informasjon om hva slags analyser som skal utføres. En ny lapp klistres på røret som skal til analyse. På denne måten vet de ansatte ved analyselaboratorietet at prøven faktisk har kommet til sykehuset.

 

Løs kork gir smittefare

Hvordan er det å arbeide med noe som er så smittefarlig? Thangavel forteller at løse korker sannsynligvis er den største smittefaren hun har på jobb. Noen ganger er ikke rørene godt nok lukket igjen, og da kan smitte oppstå.

– En gang opplevde jeg at røret ikke var lukket igjen så jeg fikk jeg væsken på hendene. Og da hadde jeg ikke på meg hansker, forteller bioteknologi-studenten.

– Men det gikk fint. Vi tester veldig mange ansatte før de skal på jobb, og denne prøven var fra en ansatt som ikke var smittet.

– Men det er jo mennesker som driver med dette her – så ting kan skje.

 

Panter-mannen til unnsetning

Selve hovedpersonen, analyseapparatet, er en over to meter bred og kanskje 1,8 meter høy maskin med det dynamiske navnet «Panther Fusion». Maskinen analyserer 600 koronaprøver i døgnet, ifølge sykehusets nettsider.

Varna Thangavel forklarer at før maskinen kan analysere nye prøver må den tømmes for søppel, og alt av reagenser og pipettespisser må fylles på. Selve klargjøringen, som består i såkalt priming og tilsetting av mastermiks, tar cirka ti minutter. Hvert rør med mastermiks rekker til 40 prøver. Det betyr at fire rør med mastermiks er nok til 160 prøver.

– Fordelen med Panther Fusion-maskinen er at den tester fortløpende. Du kan sette på prøver hele tiden.

I maskinen er det plass til åtte stativ med 15 prøver i hvert stativ, til sammen 120 prøver. Selve analysen tar 2-3 timer, og før prøven settes inn tas det også med en positiv og negativ kontroll. Positiv og negativ kontroll tas med for å kalibrere maskinen og for å sjekke at resultatet blir korrekt. Den negative prøven er bare et rør med væske. Og om prøven skiller seg fra kontrollen varsler maskinen om at resultatet er positivt.

– De positive kontrollene er faktisk pasientprøver, forteller Thangavel.

Det finnes også en annen testmaskin som gir resultater i løpet av 50 minutter. Denne er beregnet på pasienter som er alvorlig syke.

– Hva skjer om noe stanser opp?

– Det er egentlig ikke så mye vi kan gjøre om noe stanser opp. Vi kan starte på nytt, men om ikke det går, ja så tilkaller vi Panter-mannen, som vi kaller ham.

– Og når maskinen er nede, sender vi prøvene til Drammen sykehus. Vi har et godt samarbeid med dem.

Hun viser meg en skjermdump av et eksempel på en positiv prøve.

– Jeg tok bilde av den første positive prøven jeg fikk da jeg var på vakt – for da visste jeg ikke helt hva jeg skulle gjøre, så jeg måtte spørre kollegaen min.

I tillegg har Bærum sykehus innført autovalidering på negative prøvesvar, det vil si at negative prøvesvar svares ut automatisk av datamaskinen, noe som gjør at de negative prøvene kommer mye raskere ut på helsenorge.no.

– Hva med smittefaren, tenker du mye på den?

– Jeg tenker ikke så mye over det nå, men jeg syntes det var ganske skummelt i starten. Slik det er nå synes jeg det er mer skummelt å dra på butikken enn å dra på jobb.

– For det blir jo ikke noe dråpesmitte på samme måte som når det er en som hoster ved siden av deg. Det er mer sånn: 'Jeg holder dette i hendene, jeg må huske på å vaske hendene'.

 

Langt ut på jordet for å oppdage virus

Etter samtalen med laboratorieassistenten ved Bærum sykehus er det nødvendig med en tur til Ås og planteforskerne der. Men hvorfor akkurat planteforskere? Hva har planteforskerne med koronaviruset å gjøre? Jo, det har seg nemlig slik at verdens første virus ble oppdaget i en tobakksplante.

– Ja, det stemmer det. Virusforskningen startet for over 140 år siden, i Nederland, da den tyske landbrukskjemikeren Adolf Mayer oppdaget virus og at de kunne overføre smitte, forteller forsker og virusekspert Dag-Ragnar Blystad.

Blystad jobber som forsker ved NIBIO, og hans spesialområde er virus som invaderer planter. Potet, tomat, bringebær og jordbær er arter som blir angrepet. Blystads jobb er å kontrollere at ikke uønskede virus spres i potetåkeren eller i veksthusene til norske frukt- og bærdyrkere. For plantevirus kan forårsake stor skade. På verdensbasis kan så mye som 20 prosent av bondens avlinger gå tapt på grunn av at plantene blir angrepet av skadelige virus.

På 1800-tallet ble det dyrket tobakk flere steder i Nederland, og til bøndenes fortvilelse ble tobakksplantene angrepet av en mystisk sykdom som ga mange flekker på bladene.

– Den tyske landbruksforskeren Mayer la et sykt blad over et friskt blad, prikket hull gjennom begge slik at plantesaft med virussykdommen ble overført fra det syke bladet til det friske, forteller Blystad.

Mayer klarte ikke å filtrere ut noen mikrober fra plantesaften, og foreslo at sykdommen, som han kalte tobakkmosaikkvirus, på grunn av mosaikkmønstrene på bladene, ble overført av mikroskopiske bakterier som ikke lot seg observere i mikroskop.

Denne hypotesen ble så testet ti år seinere, av den russiske biologen Dmitri Ivanovsky. Ivanovsky benyttet de fineste porselensfiltrene som fantes på den tiden til å filtrere vekk eventuelle bakterier, men da den filtrerte væsken likevel smittet friske tobakksblader konkluderte han med at bakteriene var så små at de unnslapp filteret, eller at de produserte et giftstoff. Og ordet virus kommer nettopp av det latinske ordet for gift. Men til forskjell fra bakterier så klarte ikke forskerne å dyrke opp den mystiske årsaken til tobakkmosaikkvirus – hverken i reagensrør eller i petriskåler.

– Det var den nederlandske planteforskeren Martinus Beijerinck som til slutt kom frem til at det måtte være noe annet, noe som var mindre enn en bakterie, og som kunne kopiere seg selv i plantenes blader, som overførte smitten fra syke til friske tobakksblader, forklarer NIBIO-forsker Dag-Ragnar Blystad.

Beijerinck har fått æren av å ha oppdaget virus for første gang, og i 1935 klarte den nordamerikanske forskeren Wendell Stanley å krystallisere frem små viruspartikler. Seinere har det vært mulig å studere virus som tobakkmosaikkviruset i såkalte transmisjonselektronmikroskop.

 

Surrete enzymer

– Det er noe med kopieringsmekanismen til RNA-virusene. De har skikkelig surrete enzymer. De gjør mye feil, forklarer Blystad.

– Og det skulle man jo tro var uheldig, men evolusjonsmessig kan det være en fordel. Mye feil gir jo også mange muligheter til å teste ut nye løsninger.

Blystad forklarer at koronaviruset er et såkalt RNA-virus, og at viruset er omsluttet av en kappe bestående av fettsyrer. Det er derfor det hjelper å vaske seg med såpe eller bruke alkohol, slik som i antibac – såpen og alkoholen løser opp virusets fettmantel.

– Ja, en god håndvask med såpe, og du ødelegger membranen, forklarer Blystad.

 

Hva er liv?

Men hva er egentlig et virus? I bokhyllen min på hjemmekontoret har jeg en lærebok i biologi. Der beskrives virus som «… an infectious particle consisting of little more than genes packaged in a protein coat». Virus er altså ikke noe mer enn en smittsom partikkel – noen gener omsluttet av en proteinkappe.

Og er egentlig virus levende? Er det i det hele tatt en organisme? De er jo ikke i stand til å reprodusere på egenhånd. Som Mayer og de andre planteforskerne på 1800-tallet oppdaget, kan ikke virus overleve alene-De er avhengige av en vert for å kunne reprodusere seg. Viruset er avhengig av andres celler for å lage nye virus-kopier. Noen forskere kaller derfor virus for «lånt liv».

Virus har heller ikke et stort arvemateriale. For mens menneskets samlede arvemateriale – det som kalles genom – har over tre milliarder «bokstaver», har koronaviruset litt under 30 000.

Jeg spør plantevirusekspert Dag-Ragnar Blystad.

– Hva er egentlig et virus?

– Det er et litt vanskelig spørsmål å svare på. Jeg vet at mange får vondt i magen når de hører at folk kaller virus en organisme. Noen ganger unngår vi hele problemstillingen ved å kalle plantevirus for plantepatogener, eller planteskadegjørere.

– Men jeg holder virus for organismer, jeg gjør det.

 

En grådig algoritme

– En grådig algoritme!

Svaret kommer kjapt fra NIBIO-forsker og molekylærbiolog Adam Vivian-Smith.

– Et virus er ikke noe mer enn en grådig algoritme, som tar over en celle og gjenskaper seg selv. De er utrolig effektive, og har mekanismer som gjør dem i stand til å forsvare seg mot vertsorganismens motangrep.

Vivian-Smith holder til i en eldre murbygning, rett over veien fra virusekspert Blystad, i det som en gang var lokalene til den norske skogforskningen. Vivian-Smith er opprinnelig fra Australia, og har i mange år forsket på genetisk variasjon i dyr og planter. Nå har han involvert i genomsekvenseringen på forskningsinstituttet NIBIO, og han har selv forsket på plantevirus.

Testing testing - Illustrasjon Alexander Kanvik - NIBIO.jpg
PCR-metoden identifiserer koronavirus i prøvene som tas. PCR er en DNA-kopimaskin som mangfoldiggjør kopier av det aktuelle området av virusets arvestoff. En prøve fra nese eller svelg tilsettes spesielle genetiske markører (primere), som kjenner igjen spesifikke områder av virusets arvemateriale. Disse områdene blir så kopiert opp og bekrefter om koronoviruset er til stede. llustrasjon: Alexander Kanvik / Infokraft / NIBIO

«PCR er som en kopimaskin for DNA»

Zhibo Hamborg er en annen utenlandsk forsker ved NIBIO som arbeider med å identifisere virus. Hamborgs spesialitet er å finne fremmed virus i norske hagebruksplanter, slik som tomater og jordbær. Virus kan gjøre stor skade på avlingene, og det er viktig å kunne identifisere hvilken type virus det er snakk om. Da benytter Hamborg en av de samme metodene for identifikasjon av plantevirus som ble benyttet i koronatestingen ved Bærum sykehus.

– Det er spesifikke primere som kjenner igjen deler av spesielle gener på det aktuelle viruset. Når vi ser plantene og hvilke symptomer de har, vet vi sånn cirka hvilket virus det er. Ofte er det snakk om tre-fire ulike kandidater. Da bruker vi PCR for å sjekke hvilken art det er, forteller Hamborg, som er utdannet ved Northwestern Agricultural and Forest University i Yangling, i Shaanxi-provinsen i Kina.

PCR står for polymerase kjedereaksjon og er et viktig redskap for alle moderne laboratorier. PCR-maskinen er nemlig en slags DNA-fabrikk som i løpet av kort tid kan produsere flere hundre millioner eller milliarder kopier av DNA. Det betyr at forskerne bare trenger små mengder DNA for å kunne identifisere hvor DNA-et kommer fra. PCR er den metoden som benyttes i politietterforskninger, og i farskapssaker og slektsforskning, for den saks skyld.

Hamborg forklarer at siden koronaviruset ikke har vanlig DNA, men det som kalles enkelttrådet RNA, må virusets arvemateriale først gjøres om til DNA ved hjelp av et enzym som heter revers transkriptase. Enzymer er proteiner som hjelper til med prosessene i cellene. Hamborg forsøker å forklare for meg hvordan RNA-virus, slik som koronaviruset, blir identifisert ved hjelp av PCR.

– Revers transkriptase benytter enkelttrådet RNA som mal for å syntetisere enkelttrådet cDNA, såkalt komplementær-DNA. Og så tilsettes spesifikke primere som så binder seg til det enkelttrådete DNA-molekylet.

– Men siden cDNA er en sånn klump, så finner ikke primerne fram. Derfor blir prøven varmet opp til 95 grader. Da denatureres klumpen til en lang tråd, slik at primerne finner fram og kan binde seg til et spesifikt sted på virusets cDNA, forklarer Hamborg.

– Så synker temperaturen til 50-70 grader, en primer tilsettes, og så kommer polymerasen og forlenger hele primeren til reaksjonen stopper.

Polymerasen som Hamborg beskriver er selve kopimaskinen som på en måte kjører over DNA-et og lager en ny kopi av det området som primerne har rammet inn.

 

«Jeg ser sånne brownske bevegelser»

Jeg blir nysgjerrig på hvordan disse primerne, disse korte snuttene med såkalte nukleotider (bokstavene i det genetiske alfabetet), finner frem til sine komplementære sekvenser på cDNA-et som er laget fra koronaviruset.

Litt lenger bort i gangen i skogforskningsbygningen fra der Adam Vivian-Smith satt, sitter molekylærbiolog Carl Gunnar Fossdal. Jeg spør ham hvordan han ser for seg prosessen i sitt eget hode, om han ser for seg et bilde eller en film av det som skjer i en PCR-maskin.

– Slik jeg ser det er det to primere, korte DNA tråder. Og så ser jeg for meg sånne brownske bevegelser, forklarer Fossdal.

Brownske bevegelser er mikroskopiske partiklers tilfeldige bevegelser forårsaket av sammenstøt med omkringliggende vann- eller luftmolekyler.

– Løsningen varmes opp slik at DNA-tråden deler seg i to. Så senkes temperaturen og primeren finner sin plass og binder seg til DNA-tråden. Og så kommer DNA-polymerasen og binder seg til primeren, og så hopper den av, og så er det dobbelttrådet DNA.

– Så i neste syklus blir det to, så fire, så åtte, så seksten, så trettito – det blir jo veldig mange kopier til slutt av akkurat den sekvensen mellom de to stedene der primeren binder seg til, når du gjentar dette 36 ganger og antallet dobles hver gang. Det blir jo en eksponentiell økning.

Fossdal forklarer videre at det var den norske biokjemikeren og molekylærbiologen Kjell Kleppe som allerede i 1969 oppdaget prinsippene bak PCR. Og da den amerikanske biokjemikeren Kary Mullis i 1993 ble tildelt Nobelprisen i kjemi for oppdagelsen av den såkalte PCR-metoden (visstnok mens han var påvirket av LSD) var det flere som reagerte negativt på at Mullis ikke hadde kreditert Kleppes oppdagelser.

– Mullis store bidrag var at han tok i bruk et spesielt enzym som ble funnet i bakterier i varme kilder, slik som dem i Yellowstone nasjonalpark i delstaten Montana i USA. Disse kunne tåle temperaturer helt opp mot 90 grader. Det varmebestandige enzymet gjorde at PCR-prosessen kunne gå mye raskere, forklarer Fossdal.

Den nyttige PCR-metoden har gjort det mulig å identifisere ørsmå mengder DNA – og kommet til nyttet i så ulike fagområder som testing av grønnsaker for virusinfeksjon ved NIBIO, farsskapssaker, i politiets etterforskning – samt i analysen av koronavirustester på Bærum sykehus.

KONTAKTPERSON
Plantesjukdommer Planteklinikken
Slik analyseres koronaprøver

Koronaprøven tas ved at en pensel først føres i halsen på pasienten og deretter i nesen. Penselen oppbevares i et prøvetakingsrør med væske. Celler fra slimhinnen i hals og nese havner da i væsken. Mange prøver er ferdig registrert elektronisk når prøven tas, mens andre kommer med papir­rekvi­­si­sjon. Når prøven kommer til laboratoriet må den registreres inn i datasystemet. En pipetteringsrobot tar en liten mengde væske fra hvert prøvetakingsrør og overfører det til en reaksjonsplate. Egne reaksjonsplater med mange prøver settes i et instrument hvor det skjer en ekstraksjon. Det som skjer ved ekstraksjon er at cellene i prøven åpnes opp, slipper ut viruset og virusets gener. Når ekstraksjonen er ferdig sitter man igjen med en blank væske som har fritt genmateriale flytende rundt, deriblant virusets gener. Den ekstraherte væsken settes inn i en PCR-maskin, som er en slags DNA-kopimaskin som kopierer visse unike deler av virusets genmateriale. Selve DNA-kopieringen tar cirka to timer. Når det utføres analyserer for å finne spor av koronaviruset SARS-Cov-2 vil genene som er spesielt for akkurat dette viruset mangedobles i PCR-maskinen, slik at det er mulig å måle selv ørsmå mengder i den opprinnelige prøven. Resultatet fra PCR-maskinen vises som en figur, en grafe og viser tydelig om svaret er positivt eller negativt. Alle svar sendes ut elektronisk, og alle positive svar skal ringes til den som har bestilt prøven. Det er viktig at svarene kommer raskt og ringes ut slik at man kan iverksette oppfølging av pasienten og riktige smitteverntiltak.

COLOURBOX46929228.jpg
For å hindre spredning kreves det egne tester som kan identifisere personer som er smittet, isolere dem og spore opp alle de har vært i kontakt med. Illustrasjonsfoto: www.colourbox.com
varna_cropped.png
Varna Thangavel studerer bioteknologi ved Norges miljø- og biovitenskapelige universitet (NMBU). Hun holder på med en masteroppgave på salat der de skal benytte CRISPR-teknologi for å slå ut gener som gjør salaten mer følsom for sykdom. Veilederne hennes er NIBIO-forskerne Tage Thorstensen og May Bente Brurberg. Foto: Privat
Merete Rasmussen Ueland - Avdelingsleder Bærum sykehus.jpg
Avdelingsleder Merete Rasmussen Ueland er ansvarlig for analyseapparatet "Panther Fusion" på Bærum sykehus. Foto: Bærum sykehus.
DAL-20090305-124727.jpg
Polymerase-kjederaksjonsmaskin (PCR) har lenge vært arbeidshesten i bioteknologisk forskning. Den brukes til å mangfoldiggjøre DNA fra små fragmenter, som en slags kopimaskin. Foto: Lars Sandved Dalen, NIBIO.
Panther Systems PCR - hentet fra produsentens nettside.jpg
Panther Fushion PCR analyseapparat. Foto: Hologic Inc.
Dag-Ragnar Blystad - Foto Erling Fløistad - NIBIO.jpg
Dag-Ragnar Blystad jobber som forsker ved NIBIO, og hans spesialområde er virus som invaderer planter. Potet, tomat, bringebær og jordbær er arter som blir angrepet. Blystads jobb er å kontrollere at ikke uønskede virus spres i potetåkeren eller i veksthusene til norske frukt- og bærdyrkere. Foto: Erling Fløistad
Adam Vivian Smith - Foto Erling Fløistad - NIBIO.jpg
Et virus er ikke noe mer enn en grådig algoritme, som tar over en celle og gjenskaper seg selv. Og de er utrolig effektive, de har mekanismer som gjør dem i stand til å forsvare seg mot vertsorganismens motangrep, forteller NIBIO-forsker Adam Vivian Smith. Foto: Erling Fløistad
Zhiong Hamborg  - Foto Erling Fløistad - NIBIO.jpg
Zhibo Hamborgs spesialitet er å finne fremmed virus i norske hagebruksplanter, slik som tomater og jordbær. Virus kan gjøre stor skade på avlingene, og det er viktig å kunne identifisere hvilken type virus det er snakk om. Foto: Erling Fløistad
Carl Gunnar Fossdal - Foto Erling Fløistad - NIBIO.jpg
Det var den norske biokjemikeren og molekylærbiologen Kjell Kleppe som allerede i 1969 oppdaget prinsippene bak PCR. Og da den amerikanske biokjemikeren Kary Mullis i 1993 ble tildelt Nobelprisen i kjemi for oppdagelsen av den såkalte PCR-metoden var det flere som reagerte negativt på at Mullis ikke hadde kreditert Kleppes oppdagelser, forteller NIBIO-forsker og molekylærbiolog Carl Gunnar Fossdal. Foto: Erling Fløistad

Tekst frå www.nibio.no kan brukast med tilvising til opphavskjelda. Bilete på www.nibio.no kan ikkje brukast utan samtykke frå kommunikasjonseininga. NIBIO har ikkje ansvar for innhald på eksterne nettstader som det er lenka til.