De manier waarop sommige virussen hun DNA in bacteriën of andere soorten cellen injecteren, blijkt veel eenvoudiger te zijn dan wetenschappers eerder hadden gedacht. In plaats van moleculaire motoren of ingewikkelde mechanismen te gebruiken, virussen laten eenvoudige natuurkunde het werk voor hen doen. Dit is een recente bevinding van prof. Willem Kegel van de Universiteit Utrecht en collega's van de University of California Los Angeles (UCLA), en het California Institute of Technology (Caltech). De resultaten van hun onderzoek zijn gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Fysieke beoordeling X .

De drijvende kracht achter de eerste en snelle stap, is de hoge druk in het virus. De tweede stap, die veel langer duurt om te voltooien, lijkt diffusie te zijn; een direct gevolg van de willekeurige beweging van atomen en moleculen. De onderzoekers verwachten dat dit diffusiemechanisme mogelijk ook verantwoordelijk is voor andere transportprocessen in de cel en tussen cellen.

Virussen hebben verschillende strategieën om hun DNA in de cel van hun gastheer te brengen, wat een noodzakelijke stap is in hun reproductieproces. Deze studie onderzocht fagen, virussen die bacteriën infecteren. Deze virussen infecteren hun gastheren op een manier die vergelijkbaar is met die van andere virussen, zoals herpesvirussen, die onaangename symptomen bij mensen veroorzaken.

"We verwachten dat het mechanisme dat we hebben ontdekt een belangrijke rol speelt bij infecties door dit type virus, "Zei onderzoeksleider prof. dr. Willem Kegel van de Universiteit Utrecht. "We denken ook dat het diffusiemechanisme dat we hebben gevonden ook verantwoordelijk kan zijn voor andere transportprocessen in de cel, zoals de overdracht van genen tussen bacteriën, eiwittransport in cellen, en het transport van boodschapper-RNA door de poriën in de celkern."

Een faag bestaat uit een kop en een staart. De staart werkt als een injectienaald die het celmembraan kan binnendringen. Het DNA wordt opgeslagen in de kop van de faag, en oefent een druk uit van ongeveer 60 bar. Dat komt overeen met 20 keer de druk in een volledig opgepompte autoband, of de druk op 600 meter onder water. Zodra de staart van de faag de cel binnendringt, de 'klep' gaat open en het DNA wordt met hoge snelheid in de cel geïnjecteerd. Hierdoor wordt de druk van het DNA in de faag snel opgeheven. Een openstaande vraag voor de onderzoekers was dan ook:wat dwingt het laatste deel van het DNA om de cel binnen te gaan als de druk eenmaal is opgeheven?

In een experiment, de onderzoekers bepaalden de snelheid van het DNA-transport van faag naar cel in fagen waarbij alleen de begindruk anders was. In beide gevallen, de onderzoekers observeerden twee verschillende stappen. Berekeningen bevestigden hun vermoeden dat de drijvende kracht in de eerste stap inderdaad de druk is, en niets dan de druk.

Echter, in beide fagen, het DNA-transport in de tweede fase vond met gelijke (langzame) snelheden plaats. Bovendien, de injectiesnelheid bleek alleen af ​​te hangen van de hoeveelheid DNA die al in de cel was geïnjecteerd. Dit suggereerde dat de enige factor die een rol zou kunnen spelen bij de injectiesnelheid, afgezien van het DNA zelf, was de kenmerken van het cytoplasma van de cel.

Cytoplasma is in feite een colloïdale oplossing:eiwitten en andere grote moleculen in een cel hebben colloïdale afmetingen, en min of meer vrij bewegen in een waterige substantie. Kegel heeft veel onderzoekservaring met colloïdale systemen, die het mogelijk maakte om de experimentele gegevens te vertalen naar een theoretisch model.

Hierdoor konden de onderzoekers bewijzen dat de waargenomen injectiesnelheden verklaard konden worden door het eenvoudigst denkbare scenario:diffusie, of de willekeurige beweging van het geïnjecteerde DNA door het cytoplasma. "De snelheid waarmee het DNA van de faag in het cytoplasma van de gastheer beweegt, kan op een eenvoudige manier worden bepaald met behulp van de fysica van colloïdale systemen, ' zei Kegel.