De voortplantingscyclus van virussen vereist zelfassemblage, rijping van virusdeeltjes en, na infectie, het vrijkomen van genetisch materiaal in een gastheercel. Nieuwe op fysica gebaseerde technologieën stellen wetenschappers in staat om de dynamiek van deze cyclus te bestuderen en kunnen uiteindelijk leiden tot nieuwe behandelingen. In zijn rol als fysisch viroloog, Wouter Roos, een natuurkundige aan de Rijksuniversiteit Groningen, samen met twee oude collega's, heeft een overzichtsartikel geschreven over deze nieuwe technologieën, die werd gepubliceerd in Natuur beoordelingen Natuurkunde op 12 januari.

"Natuurkunde wordt al heel lang gebruikt om virussen te bestuderen, "zegt Roos. "De wetten van de fysica bepalen belangrijke gebeurtenissen in hun voortplantingscyclus." Recente vooruitgang in op fysica gebaseerde technieken hebben het mogelijk gemaakt om zelfassemblage en andere stappen in de voortplantingscyclus van afzonderlijke virusdeeltjes te bestuderen en op sub-seconde tijdresolutie. "Deze nieuwe technologieën stellen ons in staat om de dynamiek van virussen, ’ voegt Roos toe.

Energie

In 2010, hij publiceerde voor het eerst een overzichtsartikel over de natuurkundige aspecten van virologie met twee van zijn collega's. "Vroeger, bijna al het onderzoek naar virussen was relatief statisch, bijvoorbeeld druk uitoefenen op een virusdeeltje om te kijken hoe het reageerde." studies over dynamische processen, zoals zelfmontage, massaal werden uitgevoerd, zonder de mogelijkheid om in te zoomen op individuele deeltjes. "Dit is de afgelopen jaren veranderd en daarom we dachten dat het tijd was voor een nieuwe recensie." Dit artikel, "Fysica van virale dynamiek, " was co-auteur van Robijn Bruinsma van de University of California in Los Angeles (VS) en Gijs Wuite van de VU Amsterdam (Nederland).

Virussen kapen cellen en dwingen ze om de eiwitbouwstenen voor nieuwe virusdeeltjes te maken en hun genetisch materiaal (RNA of DNA) te kopiëren. Dit resulteert in een cellulaire soep vol virusdelen, die zichzelf assembleren om deeltjes van ingekapseld RNA of DNA te produceren. "Voor dit proces is geen externe energie nodig. En zelfs in vitro, de meeste virussen zullen zichzelf snel assembleren." Dit proces werd traditioneel bestudeerd in bulkmateriaal, het uitgemiddelden van het gedrag van grote aantallen virusdeeltjes. "Dus, we hadden geen idee van de variatie in de assemblage van individuele deeltjes."

Scans van minder dan een seconde

De afgelopen jaren, technologieën zijn ontwikkeld om deze individuele deeltjes in realtime te bestuderen. Een daarvan is snelle Atomic Force Microscopy (AFM). Een atoomkrachtmicroscoop scant oppervlakken met een punt ter grootte van een atoom en kan daardoor hun topologie in kaart brengen. "Onlangs, de scansnelheid van AFM is enorm toegenomen en nu kunnen we met behulp van High-Speed ​​AFM scans van minder dan 1 micrometer in het kwadraat van minder dan een seconde uitvoeren, " zegt Roos, die zelf een AFM gebruikt. "Hierdoor kunnen we zien hoe virussubeenheden zich op een oppervlak verzamelen. Het is een zeer dynamisch proces, met bouwstenen vastmaken en loslaten."

Fluorescentie met één molecuul wordt ook gebruikt om virussen te bestuderen, bijvoorbeeld, de hechting van virale eiwitten aan DNA. "Met een optisch pincet, we houden twee kleine kralen vast aan beide uiteinden van een DNA-molecuul. Wanneer virale eiwitten aan het DNA binden, dit zal oprollen en de twee kralen dichter bij elkaar brengen. Dit wordt gevisualiseerd door fluorescerende markeringen die aan de kralen zijn bevestigd." eiwitten met fluorescerende markers kunnen worden waargenomen terwijl ze hechten aan viraal DNA of aan andere eiwitten. Een derde technologie is het gebruik van een optische microscoop om interferentie te meten van licht dat wordt verstrooid door virusdeeltjes. Deze patronen onthullen de structuur van de deeltjes tijdens de montage.

Harder worden

Andere stappen in de viruscyclus kunnen ook worden bestudeerd. "Nadat ze zichzelf hebben geassembleerd, deeltjes moeten harder worden om de omstandigheden buiten de gastheercel te weerstaan, ", zegt Roos. Er komen ook andere modificaties voor, die de deeltjes voorbereiden om andere cellen te infecteren. De dynamiek van dit rijpingsproces is belangrijk voor ons begrip van hoe virussen werken. "En na het infecteren van nieuwe cellen, het virusdeeltje moet uit elkaar om zijn genetisch materiaal vrij te geven."

Nieuwe technologie onthult nu de fysieke dynamiek van virussen. Hiermee kunnen wetenschappers als Roos en zijn collega's bestuderen hoe genetisch materiaal wordt ingebouwd en welke natuurkundige principes dit proces sturen. De meeste antivirale middelen verstoren de eerste stappen bij infectie, zoals de binding van virusdeeltjes aan hun gastheercellen. Met behulp van deze nieuwe dynamische informatie, we zouden medicijnen kunnen ontwikkelen die zelfassemblage of andere belangrijke stappen in de voortplantingscyclus van het virus blokkeren.

Nanotechnologie

Inzicht in de fysica van virusdeeltjes is ook belangrijk voor gebruik in onderzoek, bijvoorbeeld als bouwstenen in nanotechnologie of als drager voor antigenen in vaccins. Verschillende van de toonaangevende COVID-19-vaccins gebruiken adenovirussen om het gen voor het SARS-CoV-2-spike-eiwit aan cellen te leveren, die vervolgens dit gen tot expressie brengen en bijgevolg een immuunrespons genereren. "Begrijpen hoe het adenovirus samenkomt en uit elkaar valt, kan helpen om stabielere vaccins te creëren."