Ny metode til at observere vira kan kaste lys over, hvordan man stopper dem

Vil du lave en virus? Det er let:kombiner et molekyle genomisk nukleinsyre, enten DNA eller RNA, og en håndfuld proteiner, ryste, og på en brøkdel af et sekund har du en fuldt dannet virus.

Selvom det kan lyde som den værste infomercial nogensinde, i mange tilfælde er det virkelig så enkelt at lave en virus. Vira som influenza spredes så effektivt, og som et resultat kan være så dødbringende for deres værter, på grund af deres evne til spontant at samle sig selv i stort antal.

Hvis forskere kan forstå, hvordan vira samler sig, de kan muligvis designe lægemidler, der forhindrer virus i at danne sig i første omgang. Desværre, hvordan virus selv samler sig, har længe været et mysterium, fordi det sker meget hurtigt og i så små længder.

Nu, der er et system til at spore virus i nanometerstørrelse på tidsskalaer under millisekunder. Metoden, udviklet af forskere ved Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS), er det første skridt mod at spore individuelle proteiner og genomiske molekyler ved høje hastigheder, når de samles for at skabe en virus.

Undersøgelsen blev ledet af Vinothan Manoharan, Wagner -familiens professor i kemiteknik og professor i fysik, og blev for nylig offentliggjort i ACS Nano . Manoharans gruppe arbejdede i samarbejde med forskere ved Leiden University, MIT, Leibniz Institute of Photonic Technology, universitetet i Jena, og Heraeus Quarzglas, en producent af fiberoptik.

"Vores mål er at forstå, hvordan vira formår at samle sig spontant, så hurtigt og så robust, "sagde Yoav Lahini, forskningsassistent, tidligere Pappalardo -stipendiat ved MIT, og medforfatter af undersøgelsen.

Identifikation af kritiske mellemtrin i samlingsprocessen kan hjælpe forskere med at forstå, hvordan de forstyrrer denne proces, Sagde Lahini. At kaste lys over fysikken ved selvsamling kan også hjælpe ingeniører med at designe bedre syntetiske nanomaterialer, der spontant kan samle sig selv.

Der er to hovedudfordringer ved at spore virussamling:hastighed og størrelse. Mens fluorescerende mikroskopi kan detektere enkelte proteiner, den fluorescerende kemiske forbindelse, der udsender fotoner, gør det med en hastighed, der er for langsom til at fange samleprocessen. Det er som at forsøge at observere mekanikken i en kolibri flappende vinge med stop-motion kamera; det fanger stykker af processen, men de afgørende rammer mangler.

Meget små partikler, som capsidproteiner, kan observeres ved, hvordan de spreder lys. Denne teknik, kendt som elastisk spredning, udsender et ubegrænset antal fotoner ad gangen, løse problemet med hastighed. Imidlertid, fotoner interagerer også med støvpartikler, reflekteret lys, og ufuldkommenheder i den optiske vej, som alle tilslører de små partikler, der spores.

For at løse disse problemer, holdet besluttede at udnytte den fremragende kvalitet af optiske fibre, perfektioneret gennem mange års forskning i telekommunikationsindustrien. De designede en ny optisk fiber med en nano-skala kanal, mindre end lysets bølgelængde, løber langs indersiden af ​​sin silicakerne. Denne kanal er fyldt med væske indeholdende nanopartikler, så når lyset ledes gennem fiberens kerne, den spreder nanopartiklerne i kanalen og opsamles af et mikroskop over fiberen.

Forskerne observerede bevægelse af vira, der måler 26 nanometer i diameter med en hastighed på tusindvis af målinger pr. Sekund.

"Dette er de mindste vira, der spores på tidsskalaer under millisekund, som er sammenlignelige med tidsskalaerne for selvsamling. "sagde Rees Garmann, postdoktor i Manoharan-laboratoriet og medforfatter af forskningen.

Det næste trin er at spore ikke bare enkelte vira, men enkelte virale proteiner, som spreder 100 til 1, 000 gange mindre lys end en enkelt virus.

"Denne forskning er et skridt fremad med at observere og måle selvsamling af vira, "sagde Manoharan." Viral infektion involverer mange komplekse molekylære og cellulære veje, men selvsamling er en proces, der findes i mange forskellige vira. Denne enkle teknologi, hvilket er billigt, let og skalerbar, kunne give en ny, omkostningseffektiv måde at undersøge og diagnosticere vira på. Set fra den grundlæggende fysiks synspunkt, forståelse af selvsamling af et naturligt udviklet system ville være en vigtig milepæl i studiet af komplekse systemer. "