Wil je een virus maken? Het is eenvoudig:combineer één molecuul genomisch nucleïnezuur, ofwel DNA of RNA, en een handvol eiwitten, schudden, en in een fractie van een seconde heb je een volledig gevormd virus.

Hoewel dat misschien klinkt als de slechtste infomercial ooit, in veel gevallen is het maken van een virus echt zo eenvoudig. Virussen zoals griep verspreiden zich zo effectief, en als gevolg daarvan zo dodelijk kunnen zijn voor hun gastheren, vanwege hun vermogen om spontaan in grote aantallen te verzamelen.

Als onderzoekers kunnen begrijpen hoe virussen zich verzamelen, ze kunnen misschien medicijnen ontwerpen die voorkomen dat virussen zich in de eerste plaats vormen. Helaas, hoe virussen zichzelf precies in elkaar zetten, is lang een mysterie gebleven omdat het heel snel en op zulke kleine lengteschalen gebeurt.

Nutsvoorzieningen, er is een systeem om virussen ter grootte van een nanometer te volgen op een tijdschaal van minder dan een milliseconde. De methode, ontwikkeld door onderzoekers van de Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS), is de eerste stap naar het met hoge snelheden volgen van individuele eiwitten en genomische moleculen terwijl ze samenkomen om een ​​virus te creëren.

Het onderzoek werd geleid door Vinothan Manoharan, de Wagner Family Professor of Chemical Engineering en Professor of Physics, en werd onlangs gepubliceerd in ACS Nano . De groep van Manoharan werkte samen met onderzoekers van de Universiteit Leiden, MIT, het Leibniz Instituut voor Fotonische Technologie, de Universiteit van Jena, en Heraeus Quarzglas, een fabrikant van glasvezel.

"Ons doel is om te begrijpen hoe virussen erin slagen zich spontaan te verzamelen, zo snel en zo robuust, " zei Yoav Lahini, onderzoeksmedewerker, voormalig Pappalardo Fellow aan het MIT, en co-eerste auteur van de studie.

Het identificeren van kritische tussenstadia in het assemblageproces kan onderzoekers helpen begrijpen hoe ze dit proces kunnen verstoren, zei Lahini. Licht werpen op de fysica van zelfassemblage zou ingenieurs ook kunnen helpen bij het ontwerpen van betere synthetische nanomaterialen die zichzelf spontaan kunnen samenstellen.

Er zijn twee belangrijke uitdagingen bij het volgen van virusassemblage:snelheid en grootte. Hoewel fluorescentiemicroscopie afzonderlijke eiwitten kan detecteren, de fluorescerende chemische verbinding die fotonen uitzendt, doet dit met een snelheid die te langzaam is om het assemblageproces vast te leggen. Het is alsof je met een stop-motioncamera probeert de mechanica van de fladderende vleugel van een kolibrie te observeren; het legt stukjes van het proces vast, maar de cruciale frames ontbreken.

Zeer kleine deeltjes, zoals capside-eiwitten, kunnen worden waargenomen door hoe ze licht verstrooien. Deze techniek, bekend als elastische verstrooiing, zendt een onbeperkt aantal fotonen tegelijk uit, het oplossen van het snelheidsprobleem. Echter, de fotonen interageren ook met stofdeeltjes, gereflecteerd licht, en onvolkomenheden in het optische pad, die allemaal de kleine deeltjes die worden gevolgd, verdoezelen.

Om deze problemen op te lossen, het team besloot gebruik te maken van de uitstekende kwaliteit van optische vezels, geperfectioneerd door jarenlang onderzoek in de telecommunicatie-industrie. Ze ontwierpen een nieuwe optische vezel met een kanaal op nanoschaal, kleiner dan de golflengte van het licht, loopt langs de binnenkant van de kern van silica. Dit kanaal is gevuld met vloeistof die nanodeeltjes bevat, zodat wanneer licht door de kern van de vezel wordt geleid, het verstrooit de nanodeeltjes in het kanaal en wordt opgevangen door een microscoop boven de vezel.

De onderzoekers observeerden de beweging van virussen met een diameter van 26 nanometer met een snelheid van duizenden metingen per seconde.

"Dit zijn de kleinste virussen die kunnen worden gevolgd op een tijdschaal van minder dan een milliseconde, die vergelijkbaar zijn met de tijdschalen voor zelfmontage." zei Rees Garmann, postdoctoraal onderzoeker in het Manoharan-lab en co-auteur van het onderzoek.

De volgende stap is om niet alleen afzonderlijke virussen te volgen, maar ook afzonderlijke virale eiwitten, die 100 tegen 1 strooien, 000 keer minder licht dan een enkel virus.

"Dit onderzoek is een stap voorwaarts in het observeren en meten van de zelfassemblage van virussen, " zei Manoharan. "Virale infectie omvat vele complexe moleculaire en cellulaire routes, maar zelfassemblage is een proces dat in veel verschillende virussen wordt aangetroffen. Deze eenvoudige technologie, wat goedkoop is, eenvoudig en schaalbaar, zou kunnen zorgen voor een nieuwe, kosteneffectieve manier om virussen te bestuderen en te diagnosticeren. Vanuit het oogpunt van fundamentele fysica, het begrijpen van de zelfassemblage van een natuurlijk geëvolueerd systeem zou een belangrijke mijlpaal zijn in de studie van complexe systemen."