Las imágenes de video ofrecen una vista en tiempo real de la cinética del ensamblaje viral

Por primera vez, los investigadores han capturado imágenes de la formación de virus individuales, ofreciendo una vista en tiempo real de la cinética del ensamblaje viral. La investigación proporciona nuevos conocimientos sobre cómo combatir los virus y diseñar partículas autoensambladas.

La investigación se publica en el procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias .

La biología estructural ha podido resolver la estructura de los virus con una resolución asombrosa, hasta cada átomo de cada proteína. Pero todavía no sabíamos cómo se ensambla esa estructura. Nuestra técnica ofrece la primera ventana a cómo se ensamblan los virus y revela la cinética y las vías con detalle cuantitativo ".

Vinothan Manoharan, Profesor de Ingeniería Química de la Familia Wagner y Profesor de Física en la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas John A. Paulson de Harvard

Manoharan es también codirector de la Iniciativa de Biología Cuantitativa, un esfuerzo de Harvard que reúne a la biología, nuevas técnicas de medición, estadística y matemáticas para desarrollar causal, modelos matemáticos predictivos de sistemas biológicos.

Manoharan y su equipo se centraron en virus de ARN monocatenario, el tipo de virus más abundante del planeta. Inhumanos, Los virus de ARN son responsables de, entre otros, Fiebre del Nilo Occidental gastroenteritis, mano, pie, y enfermedad de la boca, polio, y el resfriado común.

Estos virus tienden a ser muy simples. El virus que Manoharan y su equipo estudiaron, que infecta la bacteria E. coli, tiene aproximadamente 30 nanómetros de diámetro y tiene una pieza de ARN, con unos 3600 nucleótidos, y 180 proteínas idénticas. Las proteínas se organizan en hexágonos y pentágonos para formar una estructura similar a una pelota de fútbol alrededor del ARN. llamado cápside.

Cómo esas proteínas logran formar esa estructura es la cuestión central en el ensamblaje del virus. Hasta ahora, nadie había podido observar el ensamblaje viral en tiempo real porque los virus y sus componentes son muy pequeños y sus interacciones son muy débiles.

Para observar los virus, los investigadores utilizaron una técnica óptica conocida como microscopía de dispersión interferométrica, en el que la luz dispersada por un objeto crea una mancha oscura en un campo de luz más grande. La técnica no revela la estructura del virus, pero revela su tamaño y cómo ese tamaño cambia con el tiempo.

Los investigadores adjuntaron hebras de ARN viral a un sustrato, como tallos de flor, y proteínas fluidas sobre la superficie. Luego, utilizando el microscopio interferométrico, observaron cómo aparecían manchas oscuras y se volvían cada vez más oscuras hasta que eran del tamaño de virus adultos. Al registrar las intensidades de esos puntos de crecimiento, los investigadores pudieron determinar realmente cuántas proteínas se unían a cada hebra de ARN a lo largo del tiempo.

"Una cosa que notamos de inmediato es que la intensidad de todas las manchas comenzó baja y luego se disparó a la intensidad de un virus completo, "Dijo Manoharan." Ese tiroteo ocurrió en diferentes momentos. Algunas cápsides se ensamblan en menos de un minuto, algunos tomaron dos o tres, y algunos se llevaron más de cinco. Pero una vez que comenzaron a ensamblar, no retrocedieron. Crecieron y crecieron y luego terminaron ".

Los investigadores compararon estas observaciones con resultados previos de simulaciones, que predijo dos tipos de vías de ensamblaje. En un tipo de vía, las proteínas primero se adhieren al azar al ARN y luego se reorganizan en una cápside. En el segundo, una masa crítica de proteínas, llamado núcleo, debe formarse antes de que la cápside pueda crecer.

Los resultados experimentales coincidieron con la segunda vía y descartaron la primera. El núcleo se forma en diferentes momentos para diferentes virus, pero una vez que lo hace, el virus crece rápidamente y no se detiene hasta que alcanza su tamaño correcto.

Los investigadores también notaron que los virus tendían a ensamblarse incorrectamente con más frecuencia cuando había más proteínas fluyendo sobre el sustrato.

"Los virus que se ensamblan de esta manera deben equilibrar la formación de núcleos con el crecimiento de la cápside. Si los núcleos se forman demasiado rápido, las cápsides completas no pueden crecer. Esa observación podría darnos algunas ideas sobre cómo descarrilar el ensamblaje de virus patógenos, "dijo Manoharan.

La forma en que las proteínas individuales se unen para formar el núcleo sigue siendo una cuestión abierta, pero ahora que los experimentales han identificado la vía, los investigadores pueden desarrollar nuevos modelos que exploren el ensamblaje dentro de esa vía. Esos modelos también podrían ser útiles para diseñar nanomateriales que se ensamblan por sí mismos.

"Este es un buen ejemplo de biología cuantitativa, en el sentido de que tenemos resultados experimentales que pueden describirse mediante un modelo matemático, "dijo Manoharan.

• Una variante genética común explica por qué la inmunoterapia a menudo falla en la enfermedad de Crohn
• Los investigadores de GW muestran una conexión entre las bacterias del microbioma y el cáncer de colon