Virus – små sjukdomsframkallande parasiter som kan infektera alla typer av livsformer – har studerats väl, men många mysterier dröjer kvar. Ett sådant mysterium är hur ett sfäriskt virus kringgår energibarriärer för att bilda symmetriska skal.

En forskargrupp ledd av fysikern Roya Zandi vid University of California, Riverside, har gjort framsteg löser detta mysterium. Teamet rapporterar i en tidning publicerad i ACS Nano att ett samspel av energier på molekylär nivå gör bildningen av ett skal möjligt.

Att förstå faktorerna som bidrar till viral montering kan möjliggöra biomedicinska försök att blockera viral replikation och infektion. En bättre förståelse för hur virala skal – naturens nanobehållare – bildas är av avgörande betydelse för materialforskare och ett avgörande steg i utformningen av konstruerade nanoskal som kan fungera som redskap för att leverera läkemedel till specifika mål i kroppen.

Zandis team undersökte rollen av proteinkoncentration och elastisk energi i proteinernas självorganisering på den krökta skalytan för att förstå hur ett virus kringgår många energibarriärer.

"Förstå den kombinerade effekten av elastisk energi, genom-protein interaktion, och proteinkoncentrationen i den virala sammansättningen utgör genombrottet för vårt arbete, sa Zandi, professor vid institutionen för fysik och astronomi. "Vår studie visar att om ett rörigt skal bildas på grund av den höga proteinkoncentrationen eller stark attraktiv interaktion, sedan, när skalet växer sig större, kostnaden för elastisk energi blir så hög att flera bindningar kan brytas, vilket resulterar i demontering och efterföljande återmontering av ett symmetriskt skal."

Vad är ett virus?

Det enklaste fysiska föremålet i biologi, ett virus består av ett proteinskal som kallas kapsiden, som skyddar dess nukleinsyragenom – RNA eller DNA. Virus kan ses som mobila behållare av RNA eller DNA som sätter in sitt genetiska material i levande celler. De tar sedan över cellernas reproduktionsmaskineri för att reproducera sitt eget genom och kapsid.

Kapsidbildning är ett av de mest avgörande stegen i processen för virusinfektion. Kapsiden kan vara cylindrisk eller konisk till formen, men mer vanligt antar den en ikosaedrisk struktur, som en fotboll.

En ikosaeder är en geometrisk struktur med 12 hörn, 20 ansikten, och 30 sidor. En officiell fotboll är ett slags icosahedron som kallas en trunkerad icosahedron; den har 32 paneler skurna i form av 20 hexagoner och 12 pentagoner, med femhörningarna separerade från varandra av hexagoner.

Viral sammansättning är inte väl förstådd eftersom virus är mycket små, mätning i nanometer, en nanometer är en miljarddels meter. Monteringen sker också mycket snabbt, vanligtvis i millisekunder, en millisekund är en tusendels sekund. Teoretiskt arbete och simuleringar är nödvändiga för att förstå hur ett virus växer.

"Ett viralt skal är mycket symmetriskt, " sa Zandi. "Om en femkantig defekt bildas på fel plats, det bryter ner symmetrin. Trots denna känslighet, virala skal är ofta sammansatta i väldefinierade symmetriska strukturer."

Nanofordon

Zandi förklarade att på grund av brist på experimentella data, virussammansättningsprocessen är inte väl förstådd. Det nya arbetet fann att de elastiska egenskaperna hos kapsidproteiner och den attraktiva interaktionen mellan dem går hand i hand för att bilda mycket symmetriska konfigurationer som är energimässigt mycket stabila.

"Genom att finjustera dessa parametrar, vi kan kontrollera den slutliga strukturen och stabiliteten av virala kapsider, ", sade hon. "Dessa virala kapsider kan användas som nanobehållare för att transportera droger som last till specifika mål. Det som gör dem mycket lovande för läkemedelsleverans och genleveransändamål är att de är stabila, har en hög upptagseffektivitet, och har låg toxicitet."

Redan, vissa experimentgrupper arbetar med läkemedelsföretag för att designa läkemedel som stör eller blockerar viral montering. Hennes labb arbetar med internationella samarbetspartners för att designa simuleringar för att bättre förstå virussammansättning.

"Att förstå de faktorer som påverkar stabiliteten hos de slutliga virala strukturerna kan göra läkemedelsleveransprocesser mer kontrollerbara, " Hon sa.