Fysikere forklarer, hvordan store sfæriske vira dannes

En virus, det enkleste fysiske objekt i biologi, består af en proteinskal kaldet capsid, som beskytter sit nukleinsyregenom - RNA eller DNA. Kapsiden kan være cylindrisk eller konisk i form, men mere almindeligt antager det en icosahedral struktur, som en fodbold.

Capsid -dannelse er et af de mest afgørende trin i processen med virusinfektion. Hvis virussen er lille, kapsidet dannes spontant. Større sfæriske vira, imidlertid, såsom herpes simplex -virus eller infektiøs bursal sygdomsvirus, har brug for hjælp fra naturligt producerede "stilladsproteiner, "der tjener som en skabelon, der styrer kapsidens dannelse. Hvordan disse store virale skaller samles til meget symmetriske strukturer, er ikke godt forstået.

Et team af fysikere og en virolog, ledet af en videnskabsmand ved University of California, Riverside, har nu offentliggjort et forskningsartikel i Procedurer fra National Academy of Sciences forklarer, hvor store virusskaller der dannes. Deres arbejde kan også bruges til at forklare, hvordan store sfæriske krystaller dannes i naturen.

Denne forståelse kan hjælpe forskere med at afbryde virussdannelse, indeholdende spredning af virussygdomme.

Baseret på en teori kaldet kontinuumelasticitetsteorien, forskerne studerede væksten af ​​store sfæriske kapsider. De viste, at skabelonen guider dannelsen af ​​kapsidens proteinunderenheder-de enkelte byggesten i skallen-på en måde, der er fejlfri og resulterer, ultimativt, i en meget symmetrisk, stabil icosahedral struktur.

"Når den sfæriske struktur vokser, vi ser dybe potentielle brønde - eller affiniteter - på matematisk specificerede steder, der senere bliver hjørnerne af den icosahedral struktur, "sagde Roya Zandi, professor i UCR Institut for Fysik og Astronomi, der ledede forskningsprojektet. "I mangel af denne skabelon leveret af stilladsproteinerne, proteinunderenhederne samles ofte til mindre, mindre stabile strukturer. "

Undersøgelsen omfatter computersimuleringer og kompleks matematik - specifikt topologi, som er den matematiske undersøgelse af egenskaberne ved en geometrisk figur eller et fast stof, der ikke ændres ved strækning eller bøjning. Det forklarer på et grundlæggende niveau, hvilken rolle de mekaniske egenskaber ved byggesten og stilladsproteiner spiller i dannelsen af ​​kapsider. For store kapsider til at antage stabile icosahedral strukturer, proteinunderenhederne skal have specifikke fysiske egenskaber. Yderligere, en interaktion mellem proteinunderenhederne og en skabelon er nødvendig, forskerne positive.

En icosahedron er en geometrisk struktur med 12 hjørner, 20 ansigter, og 30 sider. En officiel fodbold er en slags icosahedron, kaldet afkortet icosahedron; den har 32 paneler skåret i form af 20 sekskanter og 12 femkanter. Den har 60 hjørner og 90 kanter. Femkanterne er adskilt fra hinanden med sekskanter. Alle icosahedral strukturer, uanset størrelse, må kun have 12 femkanter.

Zandi forklarede en icosahedron ved at påberåbe Thomson -problemet, der siger, at punktladninger placeret på overfladen af ​​en enhedsfære vil minimere systemets samlede energi. Løsninger på problemet placerer hvert punktladning på en sådan måde, at dets nærmeste naboer er så langt væk som muligt.

"Hvis du har en sfærisk leder, og du sætter 12 elektroner på den, de vil gerne være så langt som muligt fra hinanden, "sagde hun." De ender på hjørnerne af en icosahedron. I betragtning af denne viden, når en virusskal vokser, derefter, baseret på teorien om elasticitet, du skal bruge mindst 12 defekte punkter, kaldes discipliner. Tænk, hvis du skulle vikle et ark papir rundt om en kugle. Du ville blive tvunget til at folde papiret på bestemte punkter, så det kunne antage den sfæriske form. Disse er videregivelsespunkter, og de kan ikke undgås. Hvis du skulle lave en sfærisk skal ved hjælp af små trekanter, du skulle lave 12 femkanter. Uden 12 femkanter, en sfærisk form er ikke mulig. "

Zandi understregede, at for at angribe vira mere effektivt kræves en solid forståelse af, hvordan de dannes, som kan informere forskere om bedre måder at afbryde deres dannelse og dermed indeholde spredning af virussygdomme.

"Når en virus er stor, hvordan ved proteinunderenhederne, hvordan de skal indrette sig til at danne den mest stabile skal - en iskatedral? "tilføjede hun." Hvor skal den første oplysning vises? Og hvad med den næste? Hvordan kan tusinder af proteinunderenheder slutte sig sammen og danne ikosahedrale strukturer med så præcision og symmetri? Og hvilken rolle har stilladsproteiner? Hvorfor kan der ikke dannes store stabile skaller uden stilladsproteiner? Disse spørgsmål ledte vores forskning. "

Zandi forklarede, at hver proteinunderenhed har en bøjningsenergi, hvilket betyder, at en underenhed foretrækker at møde en anden underenhed i en bestemt vinkel. For en lille icosahedral struktur, denne vinkel er lille og spids. Men for at danne en stor icosahedral struktur eller kapsid, denne vinkel er stor og stump, og kræver hjælp fra stilladsproteiner. Uden denne hjælp, proteinunderenhederne ville danne et endeløst langt rør, fordi den indsats kræver mindre energi.

"Vi viser nu, at denne tendens modarbejdes af stilladsproteinerne, som tvinger proteinunderenhederne til at bøje let spænde op og danne 12 femkanter, som derefter fører til dannelsen af ​​en icosahedral struktur, "Sagde Zandi." Vores undersøgelse viser, at uden dette stillads, det er umuligt at danne en stor meget stabil icosahedral skal. "

Vira er de bedste nano-containere, Sagde Zandi. De kan bruges til at levere medicin til bestemte mål i kroppen, fordi de er særligt dygtige til at nå celler. For eksempel, virus kan fremstilles til at transportere gods, såsom genomer og lægemidler, til terapeutiske formål til kræftceller.

"Antimonteringsmedicin kan være mere effektiv end andre lægemidler, fordi viral fitness især er følsom over for mutationer ved specifikke samlingsgrænseflader, "Sagde Zandi." Faktisk små molekyler er for nylig blevet designet, der forbyder replikation af visse vira ved lignende mekanismer. "

Vira trækker ikke vejret, metabolisere, eller vokse. Men de reproducerer sig. Den enkleste virus har en skal på 60 proteinunderenheder. Tre asymmetriske underenhedsproteiner optager hvert trekantede ansigt, og alle de 60 underenheder svarer til hinanden. For komplekse vira, antallet af underenheder er et multiplum af 60.

Undersøgelsen blev finansieret af et tilskud fra National Science Foundation. Zandi fik selskab i forskningen af ​​Siyu Li fra UCR; virolog Polly Roy fra London School of Hygiene and Tropical Medicine, Det Forenede Kongerige; og Alex Travesset fra Iowa State University. Li, en kandidatstuderende i Zandis laboratorium, er forskningspapirets første forfatter.