Videobilder bieten Echtzeit-Einblicke in die Kinetik der viralen Assemblierung

Zum ersten Mal, Forscher haben Bilder von der Entstehung einzelner Viren aufgenommen, bietet einen Echtzeit-Einblick in die Kinetik der viralen Assemblierung. Die Forschung liefert neue Erkenntnisse darüber, wie man Viren bekämpft und selbstorganisierende Partikel entwickelt.

Die Forschung wird in der . veröffentlicht Proceedings of the National Academy of Sciences .

Die Strukturbiologie ist in der Lage, die Struktur von Viren mit erstaunlicher Auflösung aufzulösen, bis auf jedes Atom in jedem Protein. Aber wir wussten immer noch nicht, wie sich diese Struktur zusammensetzt. Unsere Technik gibt den ersten Einblick in den Zusammenbau von Viren und zeigt die Kinetik und Wege im quantitativen Detail auf."

Vinothan Manoharan, der Wagner Family Professor of Chemical Engineering und Professor of Physics an der Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences

Manoharan ist auch Co-Direktor der Quantitative Biology Initiative, eine übergreifende Anstrengung, die Biologie, neuartige Messtechniken, Statistik und Mathematik, um kausale, prädiktive mathematische Modelle biologischer Systeme.

Manoharan und sein Team konzentrierten sich auf einzelsträngige RNA-Viren, die am häufigsten vorkommende Virusart auf dem Planeten. In Menschen, RNA-Viren sind verantwortlich für unter anderen, West-Nil-Fieber, Gastroenteritis, Hand, Fuß, und Mundkrankheit, Polio, und die Erkältung.

Diese Viren sind in der Regel sehr einfach. Das Virus, das Manoharan und sein Team untersuchten, die E. coli-Bakterien infiziert, hat einen Durchmesser von etwa 30 Nanometern und enthält ein Stück RNA, mit etwa 3600 Nukleotiden, und 180 identische Proteine. Die Proteine ​​ordnen sich zu Sechs- und Fünfecken an, um eine fußballähnliche Struktur um die RNA zu bilden. Kapsid genannt.

Wie es diesen Proteinen gelingt, diese Struktur zu bilden, ist die zentrale Frage bei der Virusassemblierung. Bis jetzt, Niemand war in der Lage, den Zusammenbau von Viren in Echtzeit zu beobachten, da Viren und ihre Bestandteile sehr klein und ihre Wechselwirkungen sehr schwach sind.

Um die Viren zu beobachten, die Forscher verwendeten eine optische Technik, die als interferometrische Streumikroskopie bekannt ist, bei dem das von einem Objekt gestreute Licht einen dunklen Fleck in einem größeren Lichtfeld erzeugt. Die Technik enthüllt nicht die Struktur des Virus, aber es zeigt seine Größe und wie sich diese Größe mit der Zeit ändert.

Die Forscher befestigten virale RNA-Stränge an einem Substrat, wie Stängel einer Blume, und floss Proteine ​​über die Oberfläche. Dann, mit dem interferometrischen Mikroskop, sie beobachteten, wie dunkle Flecken auftauchten und immer dunkler wurden, bis sie die Größe ausgewachsener Viren erreichten. Durch die Aufzeichnung der Intensitäten dieser Wachstumsflecken, die Forscher konnten tatsächlich feststellen, wie viele Proteine ​​sich im Laufe der Zeit an jeden RNA-Strang anhefteten.

„Eine Sache, die uns sofort aufgefallen ist, ist, dass die Intensität aller Spots niedrig begann und dann auf die Intensität eines vollen Virus schoss. ", sagte Manoharan. "Das Schießen geschah zu verschiedenen Zeiten. Einige Kapside sind in weniger als einer Minute zusammengebaut, einige nahmen zwei oder drei, und einige nahmen mehr als fünf. Aber als sie mit dem Zusammenbauen begannen, sie sind nicht zurückgegangen. Sie wuchsen und wuchsen und dann waren sie fertig."

Die Forscher verglichen diese Beobachtungen mit früheren Ergebnissen aus Simulationen, die zwei Arten von Montagepfaden vorhersagte. In einer Art von Weg, die Proteine ​​haften zunächst zufällig an der RNA und ordnen sich dann zu einem Kapsid um. In dieser Sekunde, eine kritische Masse an Proteinen, als Kern bezeichnet, muss sich bilden, bevor das Kapsid wachsen kann.

Die experimentellen Ergebnisse stimmten mit dem zweiten Weg überein und schlossen den ersten aus. Der Kern bildet sich für verschiedene Viren zu unterschiedlichen Zeiten, aber sobald er es tut, das Virus wächst schnell und hört nicht auf, bis es seine richtige Größe erreicht hat.

Die Forscher stellten auch fest, dass sich die Viren häufiger falsch zusammensetzen, wenn mehr Proteine ​​über das Substrat fließen.

„Viren, die sich auf diese Weise versammeln, müssen die Kernbildung mit dem Wachstum des Kapsids ausgleichen. Bilden sich zu schnell Kerne, komplette Kapside können nicht wachsen. Diese Beobachtung könnte uns einige Einblicke geben, wie die Ansammlung pathogener Viren entgleist werden kann. “ sagte Manoharan.

Wie die einzelnen Proteine ​​zusammenkommen, um den Kern zu bilden, ist noch offen, aber jetzt, da Experimentalisten den Weg identifiziert haben, Forscher können neue Modelle entwickeln, die den Zusammenbau innerhalb dieses Weges untersuchen. Diese Modelle könnten auch nützlich sein, um Nanomaterialien zu entwerfen, die sich selbst zusammenbauen.

"Dies ist ein gutes Beispiel für quantitative Biologie, , dass wir experimentelle Ergebnisse haben, die durch ein mathematisches Modell beschrieben werden können, “ sagte Manoharan.

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