Videokuvat tarjoavat reaaliaikaisen näkymän viruskokoonpanon kinetiikkaan

Rakennebiologia on pystynyt ratkaisemaan virusten rakenteen hämmästyttävällä resoluutiolla, aina jokaisen proteiinin jokaiseen atomiin asti. Mutta emme vieläkään tienneet, miten tämä rakenne kokoontuu. Tekniikkamme antaa ensimmäisen ikkunan virusten kokoonpanoon ja paljastaa kinetiikan ja reitit kvantitatiivisesti. "

Vinothan Manoharan, Wagner -perheen kemiantekniikan professori ja fysiikan professori Harvardin John A.Paulsonin teknillisen ja ammattikorkeakoulun oppilaitoksessa

Manoharan on myös kvantitatiivisen biologian aloitteen johtaja, Harvardin rajat ylittävä toiminta, joka yhdistää biologian, uusia mittaustekniikoita, tilastot ja matematiikka syyn kehittämiseksi, biologisten järjestelmien ennustavat matemaattiset mallit.

Manoharan ja hänen tiiminsä keskittyivät yksijuosteisiin RNA-viruksiin, planeetan yleisin virustyyppi. Ihmisillä, RNA -virukset ovat vastuussa mm. muiden joukossa, Länsi -Niilin kuume, gastroenteriitti, käsi, jalka, ja suusairaus, polio, ja flunssa.

Nämä virukset ovat yleensä hyvin yksinkertaisia. Manoharan -virus ja hänen tiiminsä tutkivat, joka tartuttaa E. coli -bakteereja, on halkaisijaltaan noin 30 nanometriä ja siinä on yksi pala RNA:ta, noin 3600 nukleotidia, ja 180 identtistä proteiinia. Proteiinit järjestäytyvät kuusikulmioiksi ja viisikulmioiksi muodostaen jalkapallomaisen rakenteen RNA:n ympärille, nimeltään kapsiidi.

Kuinka nämä proteiinit onnistuvat muodostamaan tämän rakenteen, on viruskokoonpanon keskeinen kysymys. Tähän asti, kukaan ei ollut pystynyt tarkkailemaan virusten kokoonpanoa reaaliajassa, koska virukset ja niiden komponentit ovat hyvin pieniä ja niiden vuorovaikutus on hyvin heikkoa.

Virusten tarkkailuun, tutkijat käyttivät optista tekniikkaa, joka tunnetaan nimellä interferometrinen sirontamikroskopia, jossa esineestä hajallaan oleva valo luo tumman pisteen suurempaan valokenttään. Tekniikka ei paljasta viruksen rakennetta, mutta se paljastaa sen koon ja sen, miten koko muuttuu ajan myötä.

Tutkijat kiinnittivät viruksen RNA -juosteet substraattiin, kuin kukan varret, ja virtasi proteiineja pinnan yli. Sitten, käyttämällä interferometristä mikroskooppia, he katselivat tummien pisteiden ilmestymistä ja kasvoivat jatkuvasti tummemmiksi, kunnes ne olivat täysikasvuisten virusten kokoisia. Tallentamalla näiden kasvupisteiden intensiteetit, tutkijat pystyivät itse määrittämään kuinka monta proteiinia oli kiinnittynyt kuhunkin RNA -juosteeseen ajan mittaan.

"Yksi asia, jonka huomasimme heti, on se, että kaikkien pisteiden voimakkuus alkoi alhaiselta ja nousi sitten täyden viruksen voimakkuuteen. "Manoharan sanoi." Se ampuminen tapahtui eri aikoina. Jotkut kapsidit koottu alle minuutissa, jotkut veivät kaksi tai kolme, ja jotkut veivät yli viisi. Mutta kun he alkoivat koota, he eivät palanneet. Ne kasvoivat ja kasvoivat, ja sitten ne tehtiin. "

Tutkijat vertasivat näitä havaintoja aikaisempiin simulaatioiden tuloksiin, joka ennusti kahdenlaisia ​​kokoonpanoreittejä. Yhdessä reittityypissä proteiinit tarttuvat ensin satunnaisesti RNA:han ja järjestäytyvät sitten uudelleen kapsidiksi. Toisessa, kriittinen massa proteiineja, kutsutaan ytimeksi, on muodostettava ennen kuin kapsidi voi kasvaa.

Kokeelliset tulokset vastasivat toista polkua ja sulkivat pois ensimmäisen. Ydin muodostuu eri aikoina eri viruksille, mutta kun se muodostuu, virus kasvaa nopeasti eikä lopeta ennen kuin se saavuttaa oikean koon.

Tutkijat huomasivat myös, että viruksilla oli taipumus kokoontua useammin väärin, kun substraatin yli virtaa enemmän proteiineja.

"Tällä tavalla kokoontuvien virusten on tasapainotettava ytimien muodostuminen kapsidin kasvun kanssa. Jos ytimet muodostuvat liian nopeasti, täydelliset kapsidit eivät voi kasvaa. Tämä havainto saattaa antaa meille oivalluksia siitä, miten suistua patogeenisten virusten kokoonpano, "sanoi Manoharan.

Miten yksittäiset proteiinit yhdistyvät ytimen muodostamiseksi, on edelleen avoin kysymys, mutta nyt, kun kokeilijat ovat tunnistaneet reitin, tutkijat voivat kehittää uusia malleja, jotka tutkivat kokoonpanoa kyseisellä reitillä. Näistä malleista voi olla hyötyä myös itsensä kokoavien nanomateriaalien suunnittelussa.

"Tämä on hyvä esimerkki kvantitatiivisesta biologiasta, että meillä on kokeellisia tuloksia, jotka voidaan kuvata matemaattisella mallilla, "sanoi Manoharan.

• Yleinen geneettinen muunnelma selittää, miksi immunoterapia epäonnistuu usein Crohnin taudissa
• GW -tutkijat osoittavat yhteyden mikrobiomin bakteerien ja paksusuolen syövän välillä