Новий погляд на формування вірусів

Вперше дослідники зафіксували зображення формування індивідуальних вірусів, пропонуючи погляд в реальному часі на кінетику їх утворення. Дослідження пропонує новий погляд на те, як боротися з вірусами і створювати самозбірні частки. 

Дослідження опубліковане в Proceedings of the National Academy of Sciences.

«Структурна біологія змогла відтворити структуру вірусів з приголомшливим розділенням, аж до кожного атома в кожному протеїні, – сказав Вінотан Манохаран, професор хімічної інженерії та фізики з Гарварда. – Але ми як і раніше не знаємо, як ці структури збираються. Наша техніка кидає перший промінь світла на те, як віруси формуються, і відкриває кінетику та шляхи розвитку в численних деталях».

Манохаран також є співкерівником Ініціативи цифрової біології, спроби Гарварда об'єднати біологію, інноваційні техніки вимірювань, статистику та математику, щоб розвинути стандартні та передбачувані математичні моделі біологічних систем.

Манохаран і його команда фокусуються на одноланцюжкових РНК вірусах, найбільш поширеному типі вірусів на планеті. У людських організмах РНК віруси відповідальні в тому числі за лихоманку Західного Нілу, гастроентерит, хворобу руки, ноги і рота, поліомієліт і застуду.

Ці віруси, як правило, дуже прості. Вірус, який вивчали Манохаран і його команда, що інфікує бактерію E. coli, розміром близько 30 нанометрів в діаметрі і має один відрізок РНК з близько 3600 нуклеотидами і 180 ідентичними протеїнами. Протеїни шикуються в шестикутники і п'ятикутник, формуючи подібну футбольному м'ячу структуру навколо РНК, яка називається капсид.

Як протеїни утворюють цю структуру?

Це центральне питання у формуванні вірусів. До цього часу ніхто не міг спостерігати формування вірусів в реальному часі, оскільки віруси і їхні компоненти дуже малі, а їхня взаємодія дуже слабка.

Щоб спостерігати за вірусами, дослідники використовували оптичну техніку, відому як інтерферометричний мікроскоп, в якому світло, що розсіюється від об'єкта, створює темну пляму в більшому полі світла. Ця техніка не розкриває структуру вірусу, але вона розкриває його розмір і як цей розмір змінюється з плином часу.

Дослідники приєднали зразки РНК вірусів до субстрату, подібно до стебла рослини, і розподілили протеїни по поверхні. Далі, використовуючи інтерферометричний мікроскоп, вони спостерігали, як темні плями з'являлися і ставали темнішими, поки вони не досягали повних розмірів вірусу. Шляхом запису щільності цих зростаючих плям дослідники змогли визначити, скільки протеїнів приєднувалися до кожного зразка РНК протягом певного часу.

 «Ми відразу помітили, що інтенсивність всіх плям починалася з низької, а потім швидко досягала інтенсивності повноцінного вірусу, – сказав Манохаран. – Це зростання відбувалося за різні проміжки часу. Деякі капсиди формувалися менше ніж за хвилину, у деяких це зайняло дві або три хвилини, а у деяких – більше п'яти. Але після початку формування вони не відкочувалися назад. Вони росли і росли, поки не формувалися повністю».

Віруси бувають різними

Дослідники порівняли ці спостереження з попередніми результатами з симуляцій, які передбачили два типи формування. В одному типі протеїни спочатку приєднуються до РНК випадковим чином і згодом перебудовуються в капсид. У другому критична маса протеїнів, звана ядром, повинна сформуватися до того, як почне рости капсид.

Результати експерименту збіглися з другим типом формування, і викреслили перший. Ядро формується протягом різного часу для різних вірусів, але після того, як формування починається, вірус зростає швидко і не зупиняється до тих пір, поки не досягне повного розміру.

Також вчени помітили, що віруси мали тенденцію формуватися неправильно частіше, коли на поверхні субстрату знаходиться більше протеїнів. «Вірусам, які формуються таким чином, доводиться балансувати формацію ядер при зростанні капсидів. Якщо ядра формуються дуже швидко, повні капсиди не можуть рости. Це спостереження може дати нам деяке уявлення про те, як уникнути формування патогенних вірусів», – сказав Манохаран.

Питання про те, як окремі протеїни збираються разом для утворення ядер, як і раніше залишається відкритим, але тепер, коли експериментатори виявили шлях формування, дослідники можуть розвинути нові моделі, які вивчають формування цим шляхом. Ці моделі можуть також бути корисними для розробки самозбірних наноматеріалів.

 «Це хороший приклад цифрової біології, в якому у нас є експериментальні результати, які можна описати математичною моделлю», – сказав Манохаран.

Дослідження було проведено спільно з Різом Ф. Гарманом і Аароном М. Голдфейном. Воно було підтримане Національним фондом науки, Національним інститутом охорони здоров'я і Фондом Сімонса.