Een team van onderzoekers, waaronder de faculteit Northwestern Engineering, heeft het begrip uitgebreid over hoe virusschillen zichzelf assembleren, een belangrijke stap in de richting van het ontwikkelen van technieken die virussen gebruiken als vehikels om gerichte medicijnen en therapieën door het hele lichaam te brengen.

Door meerdere aminozuursubstituties uit te voeren, ontdekten de onderzoekers gevallen van epistase, een fenomeen waarbij twee veranderingen een ander gedrag produceren dan het gedrag dat elke verandering afzonderlijk veroorzaakt.

"We hebben gevallen gevonden waarbij twee afzonderlijke aminozuurveranderingen ervoor zorgden dat de virusschil brak of echt onstabiel werd, maar door beide veranderingen samen te maken, ontstond een stabiele structuur die beter dan ooit functioneerde, " zei Danielle Tullman-Ercek, universitair hoofddocent chemische en biologische technologie aan de McCormick School of Engineering.

Het artikel getiteld "Experimentele evaluatie van co-evolutie in een zelfassemblerend deeltje, " werd gepubliceerd in het gedrukte nummer van 19 maart van Biochemie . Tullman-Ercek was co-corresponderende auteur van de krant, samen met medewerker Matthew Francis, hoogleraar scheikunde aan de University of California in Berkeley.

Het werk bouwt voort op eerder onderzoek waarin Tullman-Ercek en medewerkers een nieuwe techniek ontwikkelden, genaamd SyMAPS (Systematic Mutation and Assembled Particle Selection), om variaties te testen van een eiwit dat wordt gebruikt door een bacterieel virus dat de MS2-bacteriofaag wordt genoemd. Door aminozuren één voor één te vervangen langs de MS2-eiwitketen, het team kon bestuderen hoe de virussteiger werd beïnvloed door de verschillende combinaties, inclusief welke veranderingen de structuur van de schaal hebben behouden of uit elkaar hebben gehaald.

Het laatste onderzoek bouwt voort op de voortgang van het team door SyMAPS te gebruiken om meerdere aminozuurveranderingen binnen het MS2-deeltje te analyseren, een vereiste om virusshells in de toekomst effectief te manipuleren, Tullman-Ercek zei. Onderzoekers bestudeerden elke dubbele aminozuurcombinatie langs een polypeptidelus die zich in de MS2-steiger bevond en maten hoe de virussteiger werd aangetast.

Een factor die epistase veroorzaakte, was het balanceren van de aminozuurladingen die werden vervangen, zei Tullman-Ercek, een lid van Northwestern's Center for Synthetic Biology. Twee positief geladen aminozuren verwisselen, bijvoorbeeld, zorgde ervoor dat het deeltje afstoot en uit elkaar viel, maar het balanceren van een enkele positieve aminozuurverandering met een afzonderlijke negatieve lading compenseerde de omschakeling en behield de stabiliteit.

"Het leek een onvoorspelbaar effect, maar als je kijkt naar de algemene trends van de gegevens, we hebben geleerd dat lading erg belangrijk is om het evenwicht te bewaren, "Zei Tullman-Ercek. "We konden dat niet zien op basis van de gegevens die we verzamelden met de enkele wijzigingen, maar we kwamen steeds terug op dit probleem met het in evenwicht brengen van de lading."

Het team is van plan het testen uit te breiden om te bepalen of het gedrag in het MS2-deeltje van toepassing is op vergelijkbare virussen.

"Het duurt jaren om elk onderdeel van een virussteiger te optimaliseren, "Zei Tullman-Ercek. "We proberen de tijd die nodig is om het leveringsvoertuig te optimaliseren te verminderen door de regels te leren van hoe het assembleert, zodat we er uiteindelijk een helemaal opnieuw kunnen bouwen."

Afhankelijk van het doel of de eindbestemming in het lichaam, virussteigers vereisen unieke ontwerpeigenschappen. Een virus dat in de hersenen wordt ingezet om een ​​tumor te behandelen, bijvoorbeeld, heeft mogelijk meer stabiliteit in zijn vorm nodig dan een die naar de longen wordt gestuurd. Hoe algemener de regels voor het ontwerp, de grotere verscheidenheid aan deeltjes kan in de toekomst worden geconstrueerd en ingezet.

"Als we het bezorgvoertuig voor elk individueel geval moeten optimaliseren, het zal tientallen jaren duren om vooruitgang te boeken, dus het uitzoeken van de onderliggende regels is belangrijk, "zei ze. "Het is een fundamenteel wetenschappelijk project, maar het heeft het potentieel om het ontwerp van veel toekomstige therapieën echt te beïnvloeden."

De inzichten brachten het team ook ertoe zich af te vragen hoe hun strategie kan worden gekoppeld aan wat al bekend is - en onbekend - over evolutie.

"In de evolutie, veranderingen bouwen één voor één op elkaar voort, "Zei Tullman-Ercek. "We brengen deze veranderingen opzettelijk aan in ons lab, waardoor je je afvraagt ​​hoe de natuur deze epistatische toestanden bereikt met combinaties die op zichzelf negatieve resultaten zouden opleveren. We willen dit bouwen voor medicijnafgifte, maar de resultaten roepen interessante vragen op over hoe veranderingen in de natuur worden geoptimaliseerd om mee te beginnen."