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视频图像可实时查看病毒装配的动力学

研究人员第一次捕获了单个病毒形成的图像,从而实时了解了病毒装配的动力学。该研究为如何对抗病毒和工程自组装粒子提供了新的见解。

视频图像可实时查看病毒装配的动力学

该研究发表在《美国国家科学院院刊》上。

结构生物学已经能够以惊人的分辨率解析病毒的结构,甚至分解到每种蛋白质中的每个原子。但是我们仍然不知道该结构如何组装。我们的技术为了解病毒如何组装提供了第一个窗口,并在定量细节上揭示了动力学和途径。”

Manoharan还是“定量生物学计划”(Quantitative Biology Initiative)的联合负责人,该计划是哈佛大学的一项跨学科工作,将生物学,新颖的测量技术,统计学和数学结合在一起,以开发生物系统的因果关系,预测性数学模型。

Manoharan和他的团队专注于单链RNA病毒,这是地球上最丰富的病毒。在人类中,RNA病毒是造成西尼罗河热,胃肠炎,手足口病,脊髓灰质炎和普通感冒的原因之一。

这些病毒往往非常简单。Manoharan和他的研究小组研究的病毒感染大肠杆菌,直径约30纳米,具有一个RNA片段,约有3600个核苷酸和180个相同的蛋白质。这些蛋白质将自己排列成六边形和五边形,从而在RNA周围形成一个类似足球的结构,称为衣壳。

这些蛋白质如何形成这种结构是病毒装配中的核心问题。到目前为止,由于病毒及其成分很小,并且相互作用很弱,因此还没有人能够实时观察病毒装配。

为了观察病毒,研究人员使用了一种称为干涉散射显微镜的光学技术,其中从物体上散射的光会在更大的光场中形成一个黑点。该技术不能揭示病毒的结构,但可以揭示病毒的大小以及大小如何随时间变化。

研究人员将病毒RNA链连接到花朵的茎等基质上,并使蛋白质流过表面。然后,使用干涉显微镜,他们观察到出现黑斑,并逐渐变暗,直到达到成熟病毒的大小。通过记录那些生长点的强度,研究人员实际上可以确定随着时间的流逝,每个RNA链上附着了多少蛋白质。

Manoharan说:“我们立即注意到的一件事是,所有斑点的强度开始都很低,然后又上升到完全病毒的强度。” “枪击事件发生在不同的时间。一些衣壳在不到一分钟的时间内组装完成,有的花费了两到三个,有的花费了五个以上。但是一旦它们开始组装,它们就不会退缩。完成。”

研究人员将这些观察结果与以前的模拟结果进行了比较,该模拟结果预测了两种组装路径。在一种途径中,蛋白质首先随机粘在RNA上,然后将自身重排成衣壳。第二,在衣壳生长之前必须形成一定数量的蛋白质,称为核。

实验结果与第二种途径相符,排除了第一种途径。对于不同的病毒,核在不同的时间形成,但是一旦形成,病毒就会迅速生长,直到达到正确大小时才停止。

研究人员还注意到,当有更多的蛋白质在底物上流动时,病毒倾向于更经常地错误组装。

“以这种方式组装的病毒必须在核的形成与衣壳的生长之间取得平衡。如果核形成得太快,则完整的衣壳将无法生长。这一观察结果可能使我们对如何使致病性病毒的组装脱轨有所了解。 ”,Manoharan说。

各个蛋白质如何结合形成核仍然是一个悬而未决的问题,但是既然实验者已经确定了这种途径,研究人员便可以开发新模型来探索该途径中的组装。这些模型对于设计可自行组装的纳米材料也可能有用。

Manoharan说:“这是定量生物学的一个很好的例子,因为我们有可以用数学模型描述的实验结果。

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