Northwestern Engineering-forskare har utvecklat ett nytt sätt att manipulera ett virusskal som självbildar sig från proteiner och lovar som en bärare för sjukdomsdetektering, drogleverans, och vaccinationer.

Virus har skal som är byggda för att överleva under svåra förhållanden, skydda sin last tills de hittar en cell att infektera. Skalet kan användas för gott, dock, eftersom den stabiliteten gör den lämplig för att skydda mer användbar last, såsom mediciner, som kan levereras till specifikt riktade celler.

Forskningen fokuserade på ett protein som används av ett bakterievirus som kallas MS2-bakteriofagen. Detta protein kan självmontera, skapa en ofarlig byggnadsställning ur det virala skalet, sa Danielle Tullman-Ercek, docent i kemisk och biologisk teknik vid McCormick School of Engineering.

"Inom biologi, allt har sin plats. Biologi är bra sådär — förutom att vi inte kan reglerna, Tullman-Ercek sa. "Vår upptäckt var metoden för att bestämma dessa designregler."

Studien, gjort i samarbete med kemiprofessor Matthew Francis och hans kollegor vid University of California i Berkeley, tog mer än två år. Resultaten publicerades den 11 april i tidskriften Naturkommunikation .

Arbetet gjorde det möjligt för forskarna att undersöka vilka specifika proteinmutationer som bröt virusställningen eller förändrade strukturens egenskaper. Att göra det, teamet utvecklade en ny teknik som heter SyMAPS (Systematic Mutation and Assembled Particle Selection), som separerade de muterade ställningsproteinerna som förblev intakta från de som gick sönder under mutationen.

Totalt, teamet testade nästan 2, 600 versioner av proteinet, som utgör det slutna skalet, fotbollsliknande ställning.

"MS2 ställningsproteinet har 129 positioner där vi kan göra ersättningar, ersätta den befintliga aminosyran i den positionen med alla andra aminosyror, sa Emily Hartman, en fjärdeårs doktorand i kemi vid UC Berkeley och huvudförfattare på tidningen. "Genom att byta ut alla 20 naturligt förekommande aminosyror, en i taget, vid varje position i proteinet, det slutar med att vi testar 20 variabler på 129 positioner."

Teamet tror att förståelse för hur mutationer förändrar byggnadsställningarna ger viktig insikt i hur dessa återanvända virusproteiner kan användas inom medicin.

"Ställningen du vill ha för läkemedelstillförsel kan vara annorlunda än vad du vill ha för ett vaccin, ", sa Tullman-Ercek. "Vi kanske vill ändra egenskaperna för laddning på ytan för att få bättre inriktning eller lägga till något på insidan av strukturen, som att ladda den med en sensor eller diagnostisk inspelare."

Till exempel, en struktur som faller sönder i en specifik miljö kan hjälpa riktad läkemedelstillförsel, som kemoterapi.

"En av de saker vi gjorde i studien var att leta efter mutanter som är känsliga för syra, " sa Hartman. "Blodbanan är inte sur, men väl inne i en cancercell, det är mycket surare. Om ställningen faller isär i sura miljöer, det skulle släppa läkemedlet inuti en cancercell lättare."

En struktur som var mindre tolerant mot sura förhållanden hittades, och teamet kommer att fortsätta arbetet på detta område.

Dessutom, studien ger insikt i vad som naturligt kan uppstå i ett muterande virus, såsom influensa. "Detta kan ge oss en uppfattning om vilka platser i viruset som kan ha en högre mutationsfrekvens. Den informationen kan användas av forskare för att utveckla nya vacciner, " sa Tullman-Ercek.

Teamet och deras kollegor vid båda universiteten kommer att använda arbetet som grunden för specifika applikationer för den virala ställningen, Hon sa.

"Det här dokumentet är verkligen ett första steg i en större uppsättning berättelser, ", sa Hartman. "Det finns mycket pågående arbete i detta samarbete mellan universiteten. Jag är spänd på att se vart det tar vägen.

Studien bygger på Tullman-Erceks tidigare arbete, som fann att en enda aminosyramutation i samma MS2-bakteriofagställning drastiskt ändrade sin storlek.

Tullman-Ercek fungerar som fakultetsmedlem inom Northwesterns Center for Synthetic Biology. Det två år gamla centret samlar forskare från teknik, medicin, fysik, och datavetenskap intresserad av att manipulera biologi för att hjälpa samhället. Mycket av syntetisk biologi fokuserar på att förändra en cell genom att ändra dess DNA, skapa nya specialiserade produkter.