Ett virus, det enklaste fysiska objektet i biologin, består av ett proteinskal som kallas kapsiden, som skyddar dess nukleinsyragenom - RNA eller DNA. Kapsiden kan vara cylindrisk eller konisk, men vanligare antar det en ikosahedral struktur, som en fotboll.

Capsidbildning är ett av de mest avgörande stegen i processen med virusinfektion. Om viruset är litet, kapsiden bildas spontant. Större sfäriska virus, dock, såsom herpes simplex-virus eller infektiös bursal sjukdom virus, behöver hjälp av naturligt producerade "ställningsproteiner, "som fungerar som en mall som styr kapsidens bildning. Hur dessa stora virala skal samlas i högsymmetriska strukturer är inte väl förstått.

Ett team av fysiker och en virolog, ledd av en vetenskapsman vid University of California, Riverside, har nu publicerat en forskningsartikel i Förfaranden från National Academy of Sciences förklarar hur stora virusskal bildas. Deras arbete kan också användas för att förklara hur stora sfäriska kristaller bildas i naturen.

Denna förståelse kan hjälpa forskare att avbryta virusbildningen, som innehåller spridning av virussjukdomar.

Lita på en teori som kallas kontinuumelasticitetsteorin, forskarna studerade tillväxten av stora sfäriska kapsider. De visade att mallen styr bildandet av kapsidens proteinsubenheter - de individuella byggstenarna i skalet - på ett sätt som är felfritt och resultat, i sista hand, i en mycket symmetrisk, stabil ikosaedrisk struktur.

"När den sfäriska strukturen växer, vi ser djupa potentiella brunnar - eller affiniteter - på matematiskt specificerade platser som senare blir hörnen av den icosahedral strukturen, "sa Roya Zandi, professor vid UCR Institutionen för fysik och astronomi, som ledde forskningsprojektet. "I avsaknad av denna mall från ställningsproteinerna, proteinsubenheterna samlas ofta till mindre, mindre stabila strukturer. "

Studien inkluderar datorsimuleringar och komplex matematik – specifikt, topologi, som är den matematiska studien av egenskaperna hos en geometrisk figur eller fast substans som inte ändras genom att sträcka eller böja. Den förklarar på en grundläggande nivå vilken roll de mekaniska egenskaperna hos byggstenar och ställningsproteiner spelar för bildningen av kapsider. För stora kapsider att anta stabila icosahedral strukturer, proteinsubenheterna måste ha specifika fysiska egenskaper. Ytterligare, en interaktion mellan proteinsubenheterna och en mall är nödvändig, forskarna positiva.

En ikosaeder är en geometrisk struktur med 12 hörn, 20 ansikten, och 30 sidor. En officiell fotboll är en slags icosahedron, kallad stympad icosahedron; den har 32 paneler skurna i form av 20 hexagoner och 12 pentagoner. Den har 60 hörn och 90 kanter. Pentagonerna är separerade från varandra av hexagoner. Alla ikosaedriska strukturer, oavsett storlek, måste bara ha 12 femkanter.

Zandi förklarade en ikosaeder genom att åberopa Thomson-problemet, som säger att punktladdningar placerade på ytan av en enhetssfär kommer att minimera systemets totala energi. Lösningar på problemet placerar varje punktladdning på ett sådant sätt att dess närmaste grannar är så långt bort som möjligt.

"Om du har en sfärisk ledare och du sätter 12 elektroner på den, de kommer att vilja vara så långt från varandra som möjligt, " sa hon. "De hamnar på toppen av en icosahedron. Med tanke på denna kunskap, när ett virusskal växer, sedan, baserad på teorin om elasticitet, du behöver minst 12 defekta punkter, kallas disklinationer. Tänk om du var tvungen att linda ett papper runt en sfär. Du skulle tvingas vika papperet vid vissa punkter för att det ska anta den sfäriska formen. Detta är punkter av disklinering, och de kan inte undvikas. Om du skulle göra ett sfäriskt skal med små trianglar, du skulle behöva göra 12 femhörningar. Utan 12 femkanter, en sfärisk form är inte möjlig."

Zandi betonade att för att attackera virus mer effektivt krävs en solid förståelse för hur de bildas, som kan informera forskare om bättre sätt att avbryta deras bildning och därmed begränsa spridningen av virussjukdomar.

"När ett virus är stort, hur vet proteinsubenheterna hur de ska ordna sig för att bilda ett så stabilt skal som möjligt - ett icosaedriskt skal?" tillade hon. "Var ska den första disklineringen visas? Och vad sägs om nästa? Hur kan tusentals proteinsubenheter gå samman och bilda ikosaedriska strukturer med sådan precision och symmetri? Och vilken roll har ställningsproteiner? Varför kan inte stora stabila skal bildas utan ställningsproteiner? Dessa frågor styrde vår forskning."

Zandi förklarade att varje proteinsubenhet har en böjningsenergi, vilket betyder att en underenhet föredrar att möta en annan underenhet i en viss vinkel. För en liten icosahedral struktur, denna vinkel är liten och spetsig. Men för att bilda en stor ikosaedrisk struktur eller kapsid, denna vinkel är stor och trubbig, och kräver hjälp från ställningsproteiner. Utan denna hjälp, proteinsubenheterna skulle bilda ett oändligt långt rör eftersom den ansträngningen kräver mindre energi.

"Vi visar nu att denna tendens motverkas av ställningsproteinerna, som tvingar proteinunderenheterna att böja något, spänn ihop och bilda 12 femkanter, vilket sedan leder till bildandet av en ikosaedrisk struktur, " sa Zandi. "Vår studie bevisar att utan denna byggnadsställning, det är omöjligt att bilda ett stort mycket stabilt ikosahederskal. "

Virus är de bästa nanobehållarna, sa Zandi. De kan användas för att leverera läkemedel till specifika mål i kroppen eftersom de är särskilt skickliga på att nå celler. Till exempel, virus kan göras för att transportera last, såsom genomer och droger, för terapeutiska ändamål till cancerceller.

"Antimonteringsläkemedel kan vara effektivare än andra droger eftersom viral fitness är särskilt känslig för mutationer vid specifika monteringsgränssnitt, sade Zandi. små molekyler har nyligen designats som förbjuder replikering av vissa virus med liknande mekanismer."

Virus andas inte, metabolisera, eller växa. Men de reproducerar sig. Det enklaste viruset har ett skal på 60 proteinsubenheter. Tre asymmetriska subenhetsproteiner upptar varje triangulär yta, och alla de 60 subenheterna motsvarar varandra. För komplexa virus, antalet subenheter är en multipel av 60.

Studien finansierades av ett anslag från National Science Foundation. Zandi fick sällskap i forskningen av Siyu Li från UCR; virolog Polly Roy från London School of Hygiene and Tropical Medicine, Storbritannien; och Alex Travesset från Iowa State University. Li, en doktorand i Zandis lab, är forskningsartikelns första författare.