Le immagini video offrono una visione in tempo reale della cinetica dell'assemblaggio virale

Per la prima volta, i ricercatori hanno catturato immagini della formazione di singoli virus, offrendo una visione in tempo reale della cinetica dell'assemblaggio virale. La ricerca fornisce nuove informazioni su come combattere i virus e progettare particelle autoassemblanti.

La ricerca è pubblicata su Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze .

La biologia strutturale è stata in grado di risolvere la struttura dei virus con una risoluzione sorprendente, fino a ogni atomo di ogni proteina. Ma ancora non sapevamo come si assembla quella struttura. La nostra tecnica offre la prima finestra sul modo in cui i virus si assemblano e rivela la cinetica e i percorsi in dettaglio quantitativo".

Vinothan Manoharan, la Famiglia Wagner Professore di Ingegneria Chimica e Professore di Fisica presso la Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences

Manoharan è anche co-direttore della Quantitative Biology Initiative, uno sforzo che attraversa Harvard che riunisce biologia, nuove tecniche di misurazione, statistica e matematica per sviluppare causali, modelli matematici predittivi di sistemi biologici.

Manoharan e il suo team si sono concentrati sui virus a RNA a filamento singolo, il tipo di virus più diffuso sul pianeta. Negli umani, I virus a RNA sono responsabili di tra gli altri, febbre del Nilo occidentale, gastroenterite, mano, piede, e malattie della bocca, polio, e il comune raffreddore.

Questi virus tendono ad essere molto semplici. Il virus studiato da Manoharan e dal suo team, che infetta i batteri E. coli, ha un diametro di circa 30 nanometri e ha un pezzo di RNA, con circa 3600 nucleotidi, e 180 proteine ​​identiche. Le proteine ​​si dispongono in esagoni e pentagoni per formare una struttura simile a un pallone da calcio attorno all'RNA, chiamato capside.

Il modo in cui queste proteine ​​riescono a formare quella struttura è la questione centrale nell'assemblaggio dei virus. Fino ad ora, nessuno era stato in grado di osservare l'assemblaggio virale in tempo reale perché i virus ei loro componenti sono molto piccoli e le loro interazioni sono molto deboli.

Per osservare i virus, i ricercatori hanno utilizzato una tecnica ottica nota come microscopia a diffusione interferometrica, in cui la luce diffusa da un oggetto crea una macchia scura in un campo di luce più ampio. La tecnica non rivela la struttura del virus, ma ne rivela le dimensioni e come tale dimensione cambia nel tempo.

I ricercatori hanno attaccato i filamenti di RNA virale a un substrato, come steli di un fiore, e proteine ​​scorrevano sulla superficie. Quindi, utilizzando il microscopio interferometrico, osservavano la comparsa di macchie scure che diventavano costantemente più scure fino a raggiungere le dimensioni di virus adulti. Registrando le intensità di quei punti in crescita, i ricercatori hanno potuto effettivamente determinare quante proteine ​​si sono attaccate a ciascun filamento di RNA nel tempo.

"Una cosa che abbiamo notato immediatamente è che l'intensità di tutti i punti è iniziata bassa e poi è aumentata fino all'intensità di un virus completo, " Manoharan ha detto. "Quella sparatoria è avvenuta in momenti diversi. Alcuni capsidi si sono assemblati in meno di un minuto, alcuni ne hanno presi due o tre, e alcuni ne hanno presi più di cinque. Ma una volta che hanno iniziato ad assemblare, non hanno fatto marcia indietro. Sono cresciuti e sono cresciuti e poi sono stati fatti."

I ricercatori hanno confrontato queste osservazioni con i risultati precedenti di simulazioni, che prevedeva due tipi di percorsi di assemblaggio. In un tipo di percorso, le proteine ​​prima si attaccano casualmente all'RNA e poi si riorganizzano in un capside. Nel secondo, una massa critica di proteine, chiamato nucleo, deve formarsi prima che il capside possa crescere.

I risultati sperimentali corrispondevano al secondo percorso e escludevano il primo. Il nucleo si forma in tempi diversi per virus diversi, ma una volta che lo fa, il virus cresce rapidamente e non si ferma finché non raggiunge la giusta dimensione.

I ricercatori hanno anche notato che i virus tendevano a disassemblarsi più spesso quando c'erano più proteine ​​che scorrevano sul substrato.

"I virus che si assemblano in questo modo devono bilanciare la formazione dei nuclei con la crescita del capside. Se i nuclei si formano troppo rapidamente, i capsidi completi non possono crescere. Questa osservazione potrebbe darci alcune intuizioni su come far deragliare l'assemblaggio di virus patogeni, " disse Manoharan.

Il modo in cui le singole proteine ​​si uniscono per formare il nucleo è ancora una questione aperta, ma ora che gli sperimentatori hanno identificato il percorso, i ricercatori possono sviluppare nuovi modelli che esplorano l'assemblaggio all'interno di quel percorso. Questi modelli potrebbero essere utili anche per la progettazione di nanomateriali che si assemblano da soli.

"Questo è un buon esempio di biologia quantitativa, in quanto abbiamo risultati sperimentali che possono essere descritti da un modello matematico, " disse Manoharan.

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