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PNAS:新型成像技术提供关于病毒包装的新见解

来源:本站原创 2019-10-08 01:31

2019年10月8日 讯 /生物谷BIOON/ --最近,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特征。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。该研究发表在《PNAS》杂志上。
 
哈佛大学约翰·保尔森工程学院的物理学教授Vinothan Manoharan表示:“结构生物学已经能够以惊人的分辨率解析病毒的结构,甚至可以到每种蛋白质中的每个原子。但是我们仍然不知道病毒结构如何自我组装。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)的共同负责人,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,以开发生物系统的预测性数学模型。


(图片来源:Www.pixabay.com)
 
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,能够感染大肠杆菌的病毒直径约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。蛋白质排列成六边形和五边形,在RNA周围形成足球状结构,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产生一个黑点。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,他们观察到出现了黑点,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。一些衣壳在不到一分钟的时间内组装完毕,有的花费了两到三分钟,有的花费了五分钟以上。但是一旦它们开始组装,它们就不会返回,直到完成。”
 
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,在衣壳组装之前必须形成一定数量的蛋白质“核”。
 
实验结果与第二种猜测相符。对于不同的病毒,核的时间形成也不同,但是一旦形成,病毒便会迅速生长,直到达到适当大小时才会停止。
 
研究人员还注意到,当底物上流动的蛋白质数量过多时,病毒组装错误的几率也会上升。
 
“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。这种观察结果可能使我们对如何使病原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。”(生物谷Bioon.com)


原始出处:Rees F. Garmann, Aaron M. Goldfain, Vinothan N. Manoharan. Measurements of the self-assembly kinetics of individual viral capsids around their RNA genome. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2019; 201909223 DOI: 10.1073/pnas.1909223116

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