Hoe komen de honderden afzonderlijke stukjes waaruit virussen bestaan ​​samen in vormen die in staat zijn ziekten van cel tot cel te verspreiden?

Het oplossen van het mysterie van zelfassemblage kan de weg vrijmaken voor technische vooruitgang zoals moleculen of robots die zichzelf in elkaar zetten. Het kan ook bijdragen aan een efficiëntere verpakking, geautomatiseerde levering en gericht ontwerp van medicijnen in onze strijd tegen virussen die verkoudheid, diarree, leverkanker en polio veroorzaken.

"Als we de fysieke regels begrijpen van hoe virussen zich verzamelen, kunnen we proberen ze onjuiste structuren te laten vormen om hun verspreiding te belemmeren", zegt Rees Garmann, een chemicus aan de San Diego State University en hoofdauteur van een nieuw artikel dat een stukje van de puzzel.

Garmann, samen met twee SDSU-afgestudeerde studenten en medewerkers aan Harvard en UCLA, concludeerden dat twee ver verwante RNA-virussen - een die bacteriën infecteert en een die planten infecteert - deze chemische choreografie op opvallend vergelijkbare manieren uitvoeren.

In beide en mogelijk andere virussen vormen de eiwitcomponenten een perfect patroon in vijfhoeken en zeshoeken die een symmetrische icosahedrale schaal vormen, een van de meest voorkomende vormen onder alle virussen, dankzij een steiger die wordt geleverd door een lusvormige en gevouwen streng van RNA.

Net zoals een sneeuwvlok een paar moleculen ijskoud water nodig heeft om een ​​stofdeeltje te omringen voordat het kristalliseert, smelt de jungle-gym-achtige bol van eiwitten van een virus snel samen nadat een paar eiwitten zich losjes aan het RNA hechten.

"Zonder de interacties tussen de eiwitten en het RNA die mijn studenten, Fernando Vasquez en Daniel Villareal, bestudeerden, zou het heel lang duren - weken, maanden, misschien nooit - voordat dit virus zich verzamelde," zei Garmann.

Toch duurt het hele montageproces, dat Garmann en zijn medewerkers hebben vastgelegd in gedetailleerde video's met behulp van een innovatieve iSCAT-microscoop (interferometrische verstrooiing), die individuele virussen registreert, slechts enkele minuten.

"De iSCAT-techniek opende een nieuw venster op de zelfassemblage van virussen", zegt Vinothan N. Manoharan, een co-auteur van de studie en de Wagner Family Professor of Chemical Engineering en Professor of Physics aan de John A. Paulson School of Engineering van Harvard en Toegepaste wetenschappen. "Alleen door te zien hoe afzonderlijke virussen zich vormen, konden we vaststellen dat ze niet allemaal tegelijkertijd samenkomen. Dat was de sleutel tot het begrijpen van het zelfassemblagemechanisme dat de twee soorten virussen delen."

Garmann zegt dat hun experimenten de weg wijzen naar het volgende grote mysterie van hoe virussen zorgen voor nauwkeurigheid en functionaliteit bij alle stappen langs de lopende band.

Meer weten over hoe virussen zich assembleren, houdt verband met de fysica-paradox uit de jaren vijftig van hoe eiwitten zich veel sneller in hun juiste vorm vouwen dan wanneer ze alleen zouden vertrouwen op toevallige ontmoetingen - een proces dat naar schatting langer duurt dan de miljarden jaren dat het universum heeft bestaan.

Eén zaak gesloten, andere geopend

Hoewel de virussen in deze studie en het virus dat COVID-19 veroorzaakt beide RNA hebben, zeggen de onderzoekers dat het voorbarig zou zijn om deze bevindingen uit te breiden naar het grotere, vreemde SARS-CoV-2-virus.

"De hoop van ons onderzoek is om meer te weten te komen over een fysieke, fundamentele interactie die plaatsvindt in deze modelsystemen", zegt Vasquez, een doctoraalstudent in de chemie. "Maybe with more data and time, they can be applied to studying a new virus."

"Self-assembly—designing components that know how to get together—is totally different from how we build ordinary things," Garmann said. "As engineers, we have a lot to learn from viruses." + Verder verkennen

First video of viruses assembling released