Videobilder ger realtidsvisning av kinetiken för viral sammansättning

För första gången, forskare har tagit bilder av bildandet av enskilda virus, erbjuder en realtidsvy av kinetiken för viral sammansättning. Forskningen ger nya insikter om hur man bekämpar virus och konstruerar självmonterade partiklar.

Forskningen publiceras i Förfaranden från National Academy of Sciences .

Strukturell biologi har kunnat lösa virusstrukturen med fantastisk upplösning, ner till varje atom i varje protein. Men vi visste fortfarande inte hur den strukturen monterar sig. Vår teknik ger det första fönstret till hur virus samlas och avslöjar kinetik och vägar i kvantitativ detalj. "

Vinothan Manoharan, Wagner -familjeprofessorn i kemiteknik och professor i fysik vid Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences

Manoharan är också meddirektör för Quantitative Biology Initiative, en ansträngning över Harvard som sammanför biologi, nya mättekniker, statistik och matematik för att utveckla kausalitet, prediktiva matematiska modeller av biologiska system.

Manoharan och hans team fokuserade på enkelsträngade RNA-virus, den vanligaste typen av virus på planeten. I människor, RNA -virus är ansvariga för, bland andra, Västnilen feber, gastroenterit, hand, fot, och munsjukdom, polio, och förkylning.

Dessa virus tenderar att vara mycket enkla. Viruset Manoharan och hans team studerade, som infekterar E. coli -bakterier, är cirka 30 nanometer i diameter och har en bit RNA, med cirka 3600 nukleotider, och 180 identiska proteiner. Proteinerna ordnar sig i hexagoner och femkanter för att bilda en fotbollsliknande struktur runt RNA, kallade en kapsid.

Hur dessa proteiner lyckas bilda den strukturen är den centrala frågan vid virusmontering. Tills nu, ingen hade kunnat observera viral sammansättning i realtid eftersom virus och deras komponenter är mycket små och deras interaktioner är mycket svaga.

För att observera virusen, forskarna använde en optisk teknik som kallas interferometrisk spridningsmikroskopi, där ljuset spritt från ett objekt skapar en mörk fläck i ett större ljusfält. Tekniken avslöjar inte virusets struktur men den avslöjar dess storlek och hur storleken förändras med tiden.

Forskarna fäste virala RNA -strängar till ett substrat, som stjälkar av en blomma, och flödade proteiner över ytan. Sedan, med hjälp av interferometriskt mikroskop, de såg på hur mörka fläckar dök upp och blev stadigt mörkare tills de var lika stora som fullvuxna virus. Genom att registrera intensiteten hos de växande fläckarna, forskarna kunde faktiskt bestämma hur många proteiner som fästes till varje RNA -sträng över tiden.

"En sak som vi märkte direkt är att intensiteten på alla fläckar började låg och sedan sköt upp till intensiteten av ett fullt virus, "Manoharan sa." Den skjutningen inträffade vid olika tidpunkter. Vissa kapsider samlades på under en minut, vissa tog två eller tre, och vissa tog mer än fem. Men när de väl började montera, de gick inte tillbaka. De växte och växte och sedan var de klara. "

Forskarna jämförde dessa observationer med tidigare resultat från simuleringar, som förutsade två typer av monteringsvägar. I en typ av väg, proteinerna fastnar först slumpmässigt till RNA och ordnar sedan om sig till en kapsid. På sekunden, en kritisk massa proteiner, kallas en kärna, måste bildas innan kapsiden kan växa.

De experimentella resultaten matchade den andra vägen och utesluter den första. Kärnan bildas vid olika tidpunkter för olika virus men när den väl gör det viruset växer snabbt och slutar inte förrän det når sin rätta storlek.

Forskarna märkte också att virusen tenderade att samlas oftare när det flödade fler proteiner över substratet.

"Virus som samlas på detta sätt måste balansera bildandet av kärnor med kapsidens tillväxt. Om kärnor bildas för snabbt, kompletta kapsider kan inte växa. Den iakttagelsen kan ge oss några insikter om hur man kan spåra ur sammansättningen av patogena virus, sa Manoharan.

Hur de enskilda proteinerna samlas för att bilda kärnan är fortfarande en öppen fråga men nu när experimenter har identifierat vägen, forskare kan utveckla nya modeller som utforskar montering inom den vägen. Dessa modeller kan också vara användbara för att designa nanomaterial som monteras själva.

"Detta är ett bra exempel på kvantitativ biologi, genom att vi har experimentella resultat som kan beskrivas med en matematisk modell, sa Manoharan.

• Vanlig genetisk variant förklarar varför immunterapi ofta misslyckas vid Crohns sjukdom
• GW -forskare visar samband mellan bakterier i mikrobiomet och tjocktarmscancer