Een virus, het eenvoudigste fysieke object in de biologie, bestaat uit een eiwitomhulsel genaamd de capside, dat zijn nucleïnezuurgenoom - RNA of DNA - beschermt. De capside kan cilindrisch of conisch van vorm zijn, maar vaker gaat het uit van een icosahedrale structuur, als een voetbal.

Capsidevorming is een van de meest cruciale stappen in het proces van virale infectie. Als het virus klein is, de capside vormt zich spontaan. Grotere bolvormige virussen, echter, zoals het herpes simplex-virus of het infectieuze bursitisvirus, de hulp nodig hebben van natuurlijk geproduceerde "steigereiwitten, " die dienen als een sjabloon dat de vorming van de capside begeleidt. Hoe deze grote virale omhulsels zich in zeer symmetrische structuren assembleren, is niet goed begrepen.

Een team van natuurkundigen en een viroloog, geleid door een wetenschapper aan de Universiteit van Californië, rivieroever, heeft nu een onderzoekspaper gepubliceerd in de Proceedings van de National Academy of Sciences uitleggen hoe grote virusschillen worden gevormd. Hun werk kan ook worden gebruikt om te verklaren hoe grote bolvormige kristallen zich in de natuur vormen.

Dit begrip kan onderzoekers helpen de vorming van virussen te onderbreken, die de verspreiding van virale ziekten tegengaat.

Zich baserend op een theorie die de continuüm-elasticiteitstheorie wordt genoemd, de onderzoekers bestudeerden de groei van grote bolvormige capsiden. Ze toonden aan dat de sjabloon de vorming van de eiwitsubeenheden van de capside - de individuele bouwstenen van de schaal - op een foutloze manier begeleidt en resulteert, uiteindelijk, in een zeer symmetrische, stabiele icosahedrale structuur.

"Als de bolvormige structuur groeit, we zien diepe potentiële bronnen - of affiniteiten - op wiskundig gespecificeerde locaties die later de hoekpunten van de icosaëdrische structuur worden, " zei Roya Zandi, een professor van in de UCR-afdeling Natuur- en Sterrenkunde, die het onderzoeksproject leidde. "Bij afwezigheid van deze sjabloon die wordt geleverd door de steigereiwitten, de eiwitsubeenheden assembleren vaak in kleinere, minder stabiele structuren."

De studie omvat computersimulaties en complexe wiskunde, met name topologie, dat is de wiskundige studie van de eigenschappen van een geometrische figuur of vaste stof die niet worden veranderd door uitrekken of buigen. Het legt op een fundamenteel niveau uit welke rol de mechanische eigenschappen van bouwstenen en steigereiwitten spelen bij de vorming van capsiden. Voor grote capsiden om stabiele icosahedrale structuren aan te nemen, de eiwitsubeenheden moeten specifieke fysieke eigenschappen hebben. Verder, een interactie tussen de eiwitsubeenheden en een sjabloon is noodzakelijk, stellen de onderzoekers.

Een icosaëder is een geometrische structuur met 12 hoekpunten, 20 gezichten, en 30 kanten. Een officiële voetbal is een soort icosaëder, afgeknotte icosaëder genoemd; het heeft 32 panelen die in de vorm van 20 zeshoeken en 12 vijfhoeken zijn gesneden. Het heeft 60 hoekpunten en 90 randen. De vijfhoeken zijn van elkaar gescheiden door zeshoeken. Alle icosaëdrische structuren, ongeacht de grootte, mag slechts 12 vijfhoeken hebben.

Zandi legde een icosaëder uit door het Thomson-probleem aan te halen, waarin staat dat puntladingen die op het oppervlak van een eenheidsbol worden geplaatst, de totale energie van het systeem minimaliseren. Oplossingen voor het probleem plaats elke puntlading op zo'n manier dat de dichtstbijzijnde buren zo ver mogelijk weg zijn.

"Als je een bolvormige geleider hebt en je zet er 12 elektronen op, ze zullen zo ver mogelijk van elkaar willen zijn, ' zei ze. 'Ze eindigen op de hoekpunten van een icosaëder. Gezien deze kennis, wanneer een virusomhulsel groeit, dan, gebaseerd op de elasticiteitstheorie, je hebt minimaal 12 defecte punten nodig, disclinaties genoemd. Stel je voor dat je een vel papier om een ​​bol moet wikkelen. Je zou het papier op bepaalde punten moeten vouwen om de bolvorm aan te nemen. Dit zijn punten van disclinatie, en ze zijn niet te vermijden. Als je een bolvormige schelp zou maken met kleine driehoekjes, je zou 12 vijfhoeken moeten maken. Zonder 12 vijfhoeken, een bolvorm is niet mogelijk."

Zandi benadrukte dat om virussen effectiever aan te vallen, een goed begrip van hoe ze zich vormen, nodig is, die onderzoekers kunnen informeren over betere manieren om hun vorming te onderbreken en zo de verspreiding van virale ziekten in te dammen.

"Als een virus groot is, hoe weten de eiwitsubeenheden hoe ze zichzelf moeten rangschikken om de meest stabiele schaal te vormen die mogelijk is - een icosahedrale schaal?" voegde ze eraan toe. "Waar moet de eerste onderscheiding verschijnen? En hoe zit het met de volgende? Hoe kunnen duizenden eiwitsubeenheden samenkomen en icosahedrale structuren vormen met zo'n precisie en symmetrie? En wat is de rol van steigereiwitten? Waarom kunnen zich geen grote stabiele schalen vormen zonder steigereiwitten? Deze vragen hebben ons onderzoek geleid."

Zandi legde uit dat elke eiwitsubeenheid een buigingsenergie heeft, wat betekent dat een subeenheid er de voorkeur aan geeft een andere subeenheid onder een bepaalde hoek te ontmoeten. Voor een kleine icosaëdrische structuur, deze hoek is klein en scherp. Maar om een ​​grote icosaëdrische structuur of capside te vormen, deze hoek is groot en stomp, en vereist de hulp van steigereiwitten. Zonder deze hulp de eiwitsubeenheden zouden een eindeloos lange buis vormen omdat die inspanning minder energie kost.

"We laten nu zien dat deze neiging wordt gedwarsboomd door de steigereiwitten, die de eiwitsubeenheden dwingen om iets te buigen, maak je vast en vorm 12 vijfhoeken, wat vervolgens leidt tot de vorming van een icosahedrale structuur, " zei Zandi. "Onze studie bewijst dat zonder deze steiger, het is onmogelijk om een ​​grote, zeer stabiele icosahedrale schaal te vormen."

Virussen zijn de beste nanocontainers, zei Zandi. Ze kunnen worden gebruikt om medicijnen af ​​te leveren aan specifieke doelen in het lichaam, omdat ze bijzonder bedreven zijn in het bereiken van cellen. Bijvoorbeeld, virussen kunnen worden gemaakt om vracht te vervoeren, zoals genomen en medicijnen, voor therapeutische doeleinden aan kankercellen.

"Anti-assemblagemedicijnen kunnen efficiënter zijn dan andere medicijnen omdat virale fitness in het bijzonder gevoelig is voor mutaties op specifieke assemblage-interfaces, "Zei Zandi. "Inderdaad, Er zijn recentelijk kleine moleculen ontworpen die de replicatie van bepaalde virussen door vergelijkbare mechanismen verbieden."

Virussen ademen niet, metaboliseren, of groeien. Maar ze planten zich wel voort. Het eenvoudigste virus heeft een schil van 60 eiwitsubeenheden. Drie asymmetrische subeenheid-eiwitten bezetten elk driehoekig vlak, en alle 60 subeenheden zijn gelijkwaardig aan elkaar. Voor complexe virussen, het aantal subeenheden is een veelvoud van 60.

De studie werd gefinancierd door een subsidie ​​van de National Science Foundation. Zandi werd in het onderzoek vergezeld door Siyu Li van UCR; viroloog Polly Roy van de London School of Hygiene and Tropical Medicine, Verenigd Koninkrijk; en Alex Travesset van de Iowa State University. Li, een afgestudeerde student in Zandi's lab, is de eerste auteur van het onderzoekspaper.