Vill du skapa ett virus? Det är enkelt:kombinera en molekyl av genomisk nukleinsyra, antingen DNA eller RNA, och en handfull proteiner, skaka, och på en bråkdel av en sekund har du ett fullformat virus.

Även om det kan låta som den värsta informationsreklamen någonsin, i många fall är det så enkelt att skapa ett virus. Virus som influensa sprids så effektivt, och som ett resultat kan det vara så dödligt för sina värdar, på grund av deras förmåga att spontant självmontera i stort antal.

Om forskare kan förstå hur virus samlas, de kanske kan designa läkemedel som förhindrar att virus bildas i första hand. Tyvärr, exakt hur virus sätter sig själv har länge förblivit ett mysterium eftersom det sker väldigt snabbt och i så små längdskalor.

Nu, det finns ett system för att spåra virus i nanometerstorlek på en tidsskala under millisekunder. Metoden, utvecklad av forskare vid Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS), är det första steget mot att spåra enskilda proteiner och genomiska molekyler i höga hastigheter när de sätts ihop för att skapa ett virus.

Forskningen leddes av Vinothan Manoharan, familjen Wagner professor i kemiteknik och professor i fysik, och publicerades nyligen i ACS Nano . Manoharans grupp arbetade i samarbete med forskare vid Leiden University, MIT, Leibniz Institute of Photonic Technology, universitetet i Jena, och Heraeus Quarzglas, en tillverkare av fiberoptik.

"Vårt mål är att förstå hur virus lyckas samlas spontant, så snabbt och så robust, sa Yoav Lahini, forskningsassistent, tidigare Pappalardo Fellow vid MIT, och medförsta författare till studien.

Att identifiera kritiska mellanstadier i monteringsprocessen kan hjälpa forskare att förstå hur man kan störa denna process, sa Lahini. Att kasta ljus över självmonteringsfysiken kan också hjälpa ingenjörer att designa bättre syntetiska nanomaterial som spontant kan pussla ihop sig själva.

Det finns två huvudutmaningar för att spåra virussamling:hastighet och storlek. Medan fluorescerande mikroskopi kan detektera enskilda proteiner, den fluorescerande kemiska föreningen som avger fotoner gör det i en hastighet som är för långsam för att fånga sammansättningsprocessen. Det är som att försöka observera mekaniken i en kolibris flaxande vinge med stop-motion kamera; den fångar delar av processen men de avgörande ramarna saknas.

Mycket små partiklar, som kapsidproteiner, kan observeras genom hur de sprider ljus. Denna teknik, känd som elastisk spridning, sänder ut ett obegränsat antal fotoner åt gången, lösa problemet med hastighet. Dock, fotonerna interagerar också med dammpartiklar, reflekterat ljus, och brister i den optiska vägen, som alla skymmer de små partiklarna som spåras.

För att lösa dessa problem, teamet bestämde sig för att utnyttja den enastående kvaliteten på optiska fibrer, perfektion under år av forskning inom telekommunikationsindustrin. De designade en ny optisk fiber med en kanal i nanoskala, mindre än ljusets våglängd, löper längs insidan av dess kiseldioxidkärna. Denna kanal är fylld med vätska som innehåller nanopartiklar, så att när ljus leds genom fiberns kärna, det sprider bort nanopartiklarna i kanalen och samlas upp av ett mikroskop ovanför fibern.

Forskarna observerade rörelsen hos virus som mätte 26 nanometer i diameter med en hastighet av tusentals mätningar per sekund.

"Detta är de minsta virusen som kan spåras på en tidsskala under millisekunder, som är jämförbara med tidsskalorna för självmontering." sa Rees Garmann, postdoktor i Manoharan-labbet och medförfattare till forskningen.

Nästa steg är att spåra inte bara enstaka virus utan enstaka virala proteiner, som sprider 100 till 1, 000 gånger mindre ljus än ett enda virus.

"Denna forskning är ett steg framåt när det gäller att observera och mäta virusens självsamling, " sade Manoharan. "Viral infektion involverar många komplexa molekylära och cellulära vägar, men självmontering är en process som finns i många olika virus. Denna enkla teknik, vilket är billigt, lätt och skalbar, skulle kunna tillhandahålla en ny, kostnadseffektivt sätt att studera och diagnostisera virus. Ur grundläggande fysiks synvinkel, Att förstå självmonteringen av ett naturligt utvecklat system skulle vara en viktig milstolpe i studiet av komplexa system."