Впервые исследователи получили изображения формирования отдельных вирусов, предлагая в режиме реального времени представление о кинетике сборки вирусов. Исследование дает новое понимание того, как бороться с вирусами и создавать самособирающиеся частицы.
Исследование опубликовано в Proceedings of the National Academy of Sciences.
«Структурная биология смогла разрешить структуру вирусов с поразительным разрешением, вплоть до каждого атома в каждом белке», - сказал Винотан Манохаран, профессор химической инженерии семьи Вагнеров и профессор физики Гарвардского университета Джона А.. Школа инженерии и прикладных наук Полсона. «Но мы все еще не знали, как эта структура собирается сама. Наша методика дает первое представление о том, как собираются вирусы, и раскрывает кинетику и пути в количественных деталях».
Манохаран также является содиректором Инициативы по количественной биологии, межгарвардской инициативы, которая объединяет биологию, новые методы измерения, статистику и математику для разработки причинно-следственных, прогнозирующих математических моделей биологических систем.
Манохаран и его команда сосредоточились на одноцепочечных РНК-вирусах, наиболее распространенном типе вирусов на планете. У людей РНК-вирусы вызывают, среди прочего, лихорадку Западного Нила, гастроэнтерит, болезни рук, ящура и рта, полиомиелит и простуду.
Эти вирусы, как правило, очень просты. Изучаемый Манохаран и его команда вирус, поражающий бактерии кишечной палочки, имеет диаметр около 30 нанометров и состоит из одной части РНК, состоящей примерно из 3600 нуклеотидов и 180 идентичных белков. Белки выстраиваются в шестиугольники и пятиугольники, образуя структуру, похожую на футбольный мяч, вокруг РНК, называемую капсидом..
Как этим белкам удается сформировать такую структуру, является центральным вопросом при сборке вируса. До сих пор никому не удавалось наблюдать сборку вирусов в режиме реального времени, потому что вирусы и их компоненты очень малы, а их взаимодействие очень слабое.
Для наблюдения за вирусами исследователи использовали оптическую технику, известную как микроскопия интерферометрического рассеяния, при которой свет, рассеиваемый объектом, создает темное пятно в более широком поле света. Этот метод не раскрывает структуру вируса, но показывает его размер и то, как этот размер меняется со временем.
Исследователи прикрепляли нити вирусной РНК к субстрату, подобному стеблю цветка, и пропускали белки по поверхности. Затем, используя интерферометрический микроскоп, они наблюдали, как появлялись темные пятна, которые постепенно становились темнее, пока не достигли размеров взрослых вирусов. Записывая интенсивность этих растущих пятен, исследователи смогли фактически определить, сколько белков присоединялось к каждой цепи РНК с течением времени.
«Одна вещь, которую мы сразу заметили, это то, что интенсивность всех пятен сначала была низкой, а затем резко возросла до интенсивности полного вируса», - сказал Манохаран. «Эта стрельба происходила в разное время. Некоторые капсиды собирались менее чем за минуту, некоторым требовалось две или три, а некоторым требовалось больше пяти. Но как только они начали собираться, они не отступали. Они росли и росли, а затем готово."
Исследователи сравнили эти наблюдения с предыдущими результатами моделирования, которые предсказали два типа путей сборки. В одном типе пути белки сначала случайным образом прикрепляются к РНК, а затем перестраиваются в капсид. Во втором критическая масса белков, называемая ядром, должна сформироваться до того, как капсид сможет вырасти.
Экспериментальные результаты соответствовали второму пути и исключали первый. Ядро формируется в разное время у разных вирусов, но как только это происходит, вирус быстро растет и не останавливается, пока не достигнет нужного размера.
Исследователи также заметили, что вирусы имели тенденцию к неправильной сборке чаще, когда над субстратом текло больше белков.
Вирусы, которые собираются таким образом, должны сбалансировать образование ядер с ростом капсида. Если ядра формируются слишком быстро, полный капсид не может расти. Это наблюдение может дать нам некоторое представление о том, как сорвать сборка болезнетворных вирусов», - сказал Манохаран.
Как отдельные белки собираются вместе, чтобы сформировать ядро, все еще остается открытым вопросом, но теперь, когда экспериментаторы определили путь, исследователи могут разработать новые модели, изучающие сборку внутри этого пути. Эти модели также могут быть полезны для разработки самособирающихся наноматериалов.
«Это хороший пример количественной биологии, поскольку у нас есть экспериментальные результаты, которые можно описать с помощью математической модели», - сказал Манохаран.
Исследование было проведено в соавторстве с Рисом Ф. Гарманном и Аароном М. Голдфейном. Его частично поддержали Национальный научный фонд, Национальные институты здравоохранения и Фонд Саймонса.