Ett team av forskare inklusive Northwestern Engineering-fakulteten har utökat förståelsen för hur virusskal självmonterar sig, ett viktigt steg mot att utveckla tekniker som använder virus som vehiklar för att leverera riktade läkemedel och terapier i hela kroppen.

Genom att utföra flera aminosyrasubstitutioner, forskarna upptäckte fall av epistas, ett fenomen där två förändringar producerar ett beteende som skiljer sig från det beteende som varje förändring orsakar individuellt.

"Vi hittade händelser där två separata enstaka aminosyraförändringar gjorde att virusskalet bröts eller blev riktigt instabilt, men att göra båda förändringarna tillsammans gav en stabil struktur som fungerade bättre än någonsin, sa Danielle Tullman-Ercek, docent i kemisk och biologisk teknik vid McCormick School of Engineering.

Uppsatsen med titeln "Experimentell utvärdering av samevolution i en självmonterande partikel, " publicerades den 19 mars tryckta numret av Biokemi . Tullman-Ercek fungerade som tidningens motsvarande författare tillsammans med medarbetaren Matthew Francis, professor i kemi vid University of California i Berkeley.

Arbetet bygger på tidigare forskning där Tullman-Ercek och medarbetare utvecklade en ny teknik, kallas SyMAPS (Systematic Mutation and Assembled Particle Selection), att testa varianter av ett protein som används av ett bakterievirus som kallas MS2-bakteriofagen. Genom att ersätta aminosyror en i taget längs MS2-proteinkedjan, teamet kunde studera hur virusställningen påverkades av de olika kombinationerna, inklusive vilka förändringar som bevarade skalets struktur eller bröt isär det.

Den senaste forskningen bygger på lagets framsteg genom att använda SyMAPS för att analysera flera aminosyraförändringar inom MS2-partikeln, ett krav på att effektivt manipulera virusskal i framtiden, sa Tullman-Ercek. Forskare studerade varje dubbel aminosyrakombination längs en polypeptidslinga placerad i MS2-ställningen och mätte hur virusställningen påverkades.

En faktor som producerade epistas var att balansera aminosyraladdningarna som ersattes, sa Tullman-Ercek, en medlem av Northwesterns Center for Synthetic Biology. Byte av två positivt laddade aminosyror, till exempel, fick partikeln att stöta bort och bryta isär, men balansering av en enda positiv aminosyraförändring med en separat negativ laddning kompenserade bytet och bevarade stabiliteten.

"Det såg ut som en oförutsägbar effekt, men om du tittar på de övergripande trenderna för data, vi lärde oss att laddning är väldigt viktigt för att upprätthålla balans, ", sa Tullman-Ercek. "Vi kunde inte se det baserat på de data vi samlat på oss med de enskilda ändringarna, men vi återkom hela tiden till den här avgiftsbalanseringsfrågan."

Teamet planerar att utöka testningen för att avgöra om beteendet som finns i MS2-partikeln gäller liknande virus.

"Det tar år att optimera varje komponent i en virusställning, "Vi försöker minska tiden det tar att optimera leveransfordonet genom att lära oss reglerna för hur det monteras så att vi så småningom kan bygga ett från grunden."

Beroende på dess syfte eller slutdestination i kroppen, virusställningar kräver unika designegenskaper. Ett virus som sprids till hjärnan för att behandla en tumör, till exempel, kan behöva större stabilitet i sin form än en som skickas till lungorna. Ju mer allmänna reglerna för design, den större variationen av partiklar kan konstrueras och användas i framtiden.

"Om vi ​​måste optimera leveransfordonet för varje enskilt fall, det kommer att ta decennier att göra framsteg, så att ta reda på de underliggande reglerna är viktigt, " sa hon. "Det är ett grundläggande vetenskapligt projekt, men det har potential att verkligen påverka utformningen av många framtida terapier."

Insikterna fick också teamet att ifrågasätta hur deras strategi kan kopplas till det som redan är känt – och okänt – om evolution.

"I evolutionen, förändringar bygger på varandra en i taget, ", sa Tullman-Ercek. "Vi gör dessa förändringar medvetet i vårt labb, vilket får dig att undra hur naturen når dessa epistatiska tillstånd med kombinationer som skulle ge negativa resultat på egen hand. Vi vill bygga detta för läkemedelsleverans, men resultaten väcker intressanta frågor om hur förändringar optimeras i naturen till att börja med."