Virussen - kleine ziekteverwekkende parasieten die alle soorten levensvormen kunnen infecteren - zijn goed bestudeerd, maar veel mysteries blijven hangen. Een van die mysteries is hoe een bolvormig virus energiebarrières omzeilt om symmetrische omhulsels te vormen.

Een onderzoeksteam onder leiding van natuurkundige Roya Zandi van de Universiteit van Californië, rivieroever, vooruitgang heeft geboekt, lost dit mysterie op. Het team rapporteert in een paper gepubliceerd in ACS Nano dat een samenspel van energieën op moleculair niveau de vorming van een schil mogelijk maakt.

Inzicht in de factoren die bijdragen aan virale assemblage zou biomedische pogingen mogelijk maken om virale replicatie en infectie te blokkeren. Een beter begrip van hoe virale omhulsels - de nanocontainers van de natuur - van vitaal belang zijn voor materiaalwetenschappers en een cruciale stap in het ontwerp van geconstrueerde nanoschillen die kunnen dienen als voertuigen voor het afleveren van medicijnen aan specifieke doelen in het lichaam.

Zandi's team onderzocht de rol van eiwitconcentratie en elastische energie in de zelforganisatie van eiwitten op het gebogen schaaloppervlak om te begrijpen hoe een virus veel energiebarrières omzeilt.

"Het gecombineerde effect van elastische energie begrijpen, genoom-eiwit interactie, en eiwitconcentratie in de virale assemblage vormt de doorbraak van ons werk, " zei Zandi, een professor in de afdeling Natuur- en Sterrenkunde. "Onze studie toont aan dat als zich een rommelige schil vormt vanwege de hoge eiwitconcentratie of sterke aantrekkelijke interactie, dan, naarmate de schaal groter wordt, de kosten van elastische energie worden zo hoog dat verschillende bindingen kunnen worden verbroken, wat resulteert in de demontage en daaropvolgende montage van een symmetrische shell."

Wat is een virus?

Het eenvoudigste fysieke object in de biologie, een virus bestaat uit een eiwitomhulsel dat de capside wordt genoemd, dat zijn nucleïnezuurgenoom - RNA of DNA - beschermt. Virussen kunnen worden gezien als mobiele containers van RNA of DNA die hun genetisch materiaal in levende cellen inbrengen. Vervolgens nemen ze de reproductieve machinerie van de cellen over om hun eigen genoom en capside te reproduceren.

Capsidevorming is een van de meest cruciale stappen in het proces van virale infectie. De capside kan cilindrisch of conisch van vorm zijn, maar vaker gaat het uit van een icosahedrale structuur, als een voetbal.

Een icosaëder is een geometrische structuur met 12 hoekpunten, 20 gezichten, en 30 kanten. Een officiële voetbal is een soort icosaëder die een afgeknotte icosaëder wordt genoemd; het heeft 32 panelen die in de vorm van 20 zeshoeken en 12 vijfhoeken zijn gesneden, met de vijfhoeken van elkaar gescheiden door zeshoeken.

Virale assemblage wordt niet goed begrepen omdat virussen erg klein zijn, meten in nanometers, een nanometer is een miljardste van een meter. De montage gebeurt ook heel snel, meestal in milliseconden, een milliseconde is een duizendste van een seconde. Theoretisch werk en simulaties zijn nodig om te begrijpen hoe een virus groeit.

"Een virale schil is zeer symmetrisch, "Zei Zandi. "Als een vijfhoekig defect zich op de verkeerde locatie vormt, het doorbreekt de symmetrie. Ondanks deze gevoeligheid virale schelpen worden vaak geassembleerd tot goed gedefinieerde symmetrische structuren."

Nano-voertuigen

Zandi legde uit dat door een gebrek aan experimentele gegevens, het virusassemblageproces wordt niet goed begrepen. Het nieuwe werk ontdekte dat de elastische eigenschappen van capside-eiwitten en de aantrekkelijke interactie daartussen hand in hand gaan om zeer symmetrische configuraties te vormen die energetisch zeer stabiel zijn.

"Door deze parameters te verfijnen, we kunnen de uiteindelijke structuur en stabiliteit van virale capsiden controleren, " zei ze. "Deze virale capsiden kunnen worden gebruikt als nanocontainers voor het vervoer van drugs als lading naar specifieke doelen. Wat ze veelbelovend maakt voor medicijnafgifte en genafgifte, is dat ze stabiel zijn, een hoog opnamerendement hebben, en hebben een lage toxiciteit."

Nu al, sommige experimentele groepen werken samen met farmaceutische bedrijven om medicijnen te ontwerpen die de virale assemblage verstoren of blokkeren. Haar lab werkt samen met internationale medewerkers om simulaties te ontwerpen om de virusassemblage beter te begrijpen.

"Het begrijpen van de factoren die de stabiliteit van de uiteindelijke virale structuren beïnvloeden, kan de medicijnafgifteprocessen beter beheersbaar maken, " ze zei.