Hur sätts de hundratals enskilda bitar som utgör virus samman till former som kan sprida sjukdomar från cell till cell?

Att lösa mysteriet med självmontering kan bana väg för tekniska framsteg som molekyler eller robotar som sätter sig själva. Det skulle också kunna bidra till effektivare förpackningar, automatiserad leverans och riktad design av medicin i vår kamp mot virus som orsakar förkylningar, diarré, levercancer och polio.

"Om vi ​​förstår de fysiska reglerna för hur virus samlas, så kan vi försöka få dem att bilda felaktiga strukturer för att hindra deras spridning", säger Rees Garmann, kemist vid San Diego State University och huvudförfattare till en ny artikel som fyller i en pusselbit.

Garmann, tillsammans med två SDSU-studenter och medarbetare vid Harvard och UCLA, drog slutsatsen att två avlägset besläktade RNA-virus – ett som infekterar bakterier och ett som infekterar växter – utför denna kemiska koreografi på slående liknande sätt.

I både, och potentiellt andra, virus, mönstrar proteinkomponenterna perfekt till pentagoner och hexagoner som bildar ett symmetriskt ikosaedriskt skal, en av de vanligaste formerna bland alla virus, tack vare en ställning som tillhandahålls av en ögla och veckad RNA-sträng.

I likhet med hur en snöflinga kräver ett par molekyler av kallt vatten för att omge en dammpartikel innan den kristalliseras, sammansmälter ett viruss djungelgymliknande sfär av proteiner snabbt först efter att några proteiner löst fäster till RNA:t.

"Utan interaktionerna mellan proteinerna och RNA:t som mina elever, Fernando Vasquez och Daniel Villareal, studerade, skulle det ta väldigt lång tid - veckor, månader, kanske aldrig - för det här viruset att samlas," sa Garmann. P>

Ändå tar hela monteringsprocessen, som Garmann och hans medarbetare fångade i detaljerade videor med ett innovativt iSCAT-mikroskop (interferometric scattering) som registrerar enskilda virus, bara några minuter.

"iSCAT-tekniken öppnade ett nytt fönster mot virussjälvsammansättning", säger Vinothan N. Manoharan, medförfattare till studien och familjeprofessorn i Wagnerfamiljen i kemiteknik och professor i fysik vid Harvards John A. Paulson School of Engineering och Tillämpade vetenskaper. "Endast genom att se enskilda virus bildas kunde vi fastställa att de inte alla samlas samtidigt. Det var nyckeln till att förstå den självsammansättningsmekanism som de två typerna av virus delar."

Garmann säger att deras experiment visar vägen för att besvara nästa stora mysterium om hur virus säkerställer noggrannhet och funktionalitet i alla steg längs löpande bandet.

Att veta mer om hur virus samlas är relaterat till 1950-talets fysikparadox om hur proteiner viker sig till sina rätta former mycket snabbare än om de enbart förlitade sig på slumpmässiga möten – en process som uppskattas ta längre tid än de miljarder år som universum har funnits.

Ett ärende stängt, andra öppnat

Även om virusen i den här studien och viruset som orsakar COVID-19 båda har RNA, säger forskarna att det skulle vara för tidigt att utvidga dessa fynd till det större, udda SARS-CoV-2-viruset.

"Förhoppningen med vår forskning är att lära sig om någon fysisk, grundläggande interaktion som sker i dessa modellsystem", säger Vasquez, doktorand i kemi. "Maybe with more data and time, they can be applied to studying a new virus."

"Self-assembly—designing components that know how to get together—is totally different from how we build ordinary things," Garmann said. "As engineers, we have a lot to learn from viruses." + Utforska vidare

First video of viruses assembling released