Videobilder gir sanntidsvisning av kinetikken for viral samling

For første gang, forskere har tatt bilder av dannelsen av individuelle virus, tilbyr et sanntidsbilde av kinetikken i viral forsamling. Forskningen gir ny innsikt i hvordan man kan bekjempe virus og konstruere selvmonterende partikler.

Forskningen er publisert i Prosedyrer ved National Academy of Sciences .

Strukturell biologi har klart å løse strukturen av virus med fantastisk oppløsning, ned til hvert atom i hvert protein. Men vi visste fortsatt ikke hvordan den strukturen samler seg. Vår teknikk gir det første vinduet til hvordan virus samler seg og avslører kinetikk og veier i kvantitativ detalj. "

Vinothan Manoharan, Wagner -familiens professor i kjemiteknikk og professor i fysikk ved Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences

Manoharan er også meddirektør for Quantitative Biology Initiative, en innsats på tvers av Harvard som samler biologi, nye måleteknikker, statistikk og matematikk for å utvikle årsakssammenheng, prediktive matematiske modeller av biologiske systemer.

Manoharan og teamet hans fokuserte på enkeltstrengede RNA-virus, den vanligste typen virus på planeten. Hos mennesker, RNA -virus er ansvarlige for, blant andre, West Nile feber, gastroenteritt, hånd, fot, og munnsykdom, polio, og forkjølelse.

Disse virusene har en tendens til å være veldig enkle. Viruset Manoharan og teamet hans studerte, som infiserer E. coli -bakterier, er omtrent 30 nanometer i diameter og har ett stykke RNA, med ca 3600 nukleotider, og 180 identiske proteiner. Proteinene ordner seg i sekskanter og femkanter for å danne en fotball-lignende struktur rundt RNA, kalt en kapsid.

Hvordan disse proteinene klarer å danne den strukturen er det sentrale spørsmålet i virusmontering. Inntil nå, ingen hadde vært i stand til å observere viral montering i sanntid fordi virus og deres komponenter er veldig små og deres interaksjoner er svært svake.

For å observere virusene, forskerne brukte en optisk teknikk kjent som interferometrisk spredningsmikroskopi, der lyset spredt fra et objekt skaper en mørk flekk i et større lysfelt. Teknikken avslører ikke virusets struktur, men den avslører dens størrelse og hvordan størrelsen endres med tiden.

Forskerne festet virale RNA -tråder til et substrat, som stilker av en blomst, og strømmet proteiner over overflaten. Deretter, ved hjelp av interferometrisk mikroskop, de så på hvordan mørke flekker dukket opp og ble stadig mørkere til de var på størrelse med fullvoksne virus. Ved å registrere intensiteten til de voksende flekkene, forskerne kunne faktisk bestemme hvor mange proteiner som ble festet til hver RNA -streng over tid.

"En ting vi la merke til umiddelbart er at intensiteten til alle flekkene begynte lavt og deretter skjøt opp til intensiteten til et fullt virus, "Manoharan sa." Skytingen skjedde på forskjellige tidspunkter. Noen kapsider samlet på under et minutt, noen tok to eller tre, og noen tok mer enn fem. Men når de begynte å montere, de gikk ikke tilbake. De vokste og vokste, og så var de ferdige. "

Forskerne sammenlignet disse observasjonene med tidligere resultater fra simuleringer, som forutslo to typer monteringsveier. I en type sti, proteinene fester seg først tilfeldig til RNA og omorganiserer seg deretter til et kapsid. I det andre, en kritisk masse proteiner, kalt en kjerne, må dannes før kapsiden kan vokse.

De eksperimentelle resultatene matchet den andre veien og utelukket den første. Kjernen dannes på forskjellige tidspunkter for forskjellige virus, men når den gjør det, viruset vokser raskt og stopper ikke før det når sin riktige størrelse.

Forskerne la også merke til at virusene hadde en tendens til å samles oftere når det var flere proteiner som strømmet over substratet.

"Virus som samles på denne måten må balansere dannelsen av kjerner med veksten av kapsidet. Hvis kjerner dannes for raskt, komplette kapsider kan ikke vokse. Denne observasjonen kan gi oss et innblikk i hvordan vi kan spore samlingen av patogene virus, "sa Manoharan.

Hvordan de enkelte proteiner kommer sammen for å danne kjernen er fortsatt et åpent spørsmål, men nå som eksperimentelle har identifisert veien, forskere kan utvikle nye modeller som utforsker montering innenfor denne veien. Disse modellene kan også være nyttige for å designe nanomaterialer som monterer seg selv.

"Dette er et godt eksempel på kvantitativ biologi, ved at vi har eksperimentelle resultater som kan beskrives ved en matematisk modell, "sa Manoharan.

• Vanlig genetisk variant forklarer hvorfor immunterapi ofte mislykkes ved Crohns sykdom
• GW -forskere viser sammenheng mellom bakterier i mikrobiomet og tykktarmskreft