新型成像技術(shù)提供關(guān)于病毒包裝的新見解

最近，研究人員**次捕獲了單個病毒形成的圖像，從而實時了解了病毒裝配的動力學(xué)特征。該研究為如何對抗病毒和工程自組裝粒子提供了新的見解。該研究發(fā)表在《PNAS》雜志上。

哈佛大學(xué)約翰·保爾森工程學(xué)院的物理學(xué)教授Vinothan Manoharan表示：“結(jié)構(gòu)生物學(xué)已經(jīng)能夠以驚人的分辨率解析病毒的結(jié)構(gòu)，甚至可以到每種蛋白質(zhì)中的每個原子。但是我們?nèi)匀徊恢啦《窘Y(jié)構(gòu)如何自我組裝。我們的技術(shù)為了解病毒如何組裝提供了**個窗口，并在定量細(xì)節(jié)上揭示了動力學(xué)和途徑。”

Manoharan還是“定量生物學(xué)計劃”（Quantitative Biology Initiative）的共同負(fù)責(zé)人，該計劃是哈佛大學(xué)的一項跨學(xué)科工作，將生物學(xué)，新穎的測量技術(shù)，統(tǒng)計學(xué)和數(shù)學(xué)結(jié)合在一起，以開發(fā)生物系統(tǒng)的預(yù)測性數(shù)學(xué)模型。

Manoharan和他的團隊專注于單鏈RNA病毒，這是地球上最豐富的病毒。在人類中，RNA病毒是造成西尼羅河熱，胃腸炎，手足口病，脊髓灰質(zhì)炎和普通感冒的原因之一。

這些病毒往往非常簡單。 Manoharan和他的研究小組研究的，能夠感染大腸桿菌的病毒直徑約30納米，具有一個RNA片段，約有3600個核苷酸和180個相同的蛋白質(zhì)。蛋白質(zhì)排列成六邊形和五邊形，在RNA周圍形成足球狀結(jié)構(gòu)，稱為衣殼。

這些蛋白質(zhì)如何形成這種結(jié)構(gòu)是病毒裝配中的核心問題。到目前為止，由于病毒及其成分很小，并且相互作用很弱，因此還沒有人能夠?qū)崟r觀察病毒裝配。

為了觀察病毒，研究人員使用了一種稱為干涉散射顯微鏡的光學(xué)技術(shù)，其中從物體上散射的光會在更大的光場中產(chǎn)生一個黑點。該技術(shù)不能揭示病毒的結(jié)構(gòu)，但可以揭示病毒的大小以及大小如何隨時間變化。

研究人員將病毒RNA鏈連接到基質(zhì)上，并使蛋白質(zhì)流過表面。然后，使用干涉顯微鏡，他們觀察到出現(xiàn)了黑點，并逐漸變暗，直到達到成熟病毒的大小。通過記錄那些生長點的強度，研究人員實際上可以確定隨著時間的流逝，每個RNA鏈上附著了多少蛋白質(zhì)。

Manoharan說：“我們立即注意到的一件事是，所有斑點的強度開始都很低，然后又上升到完全病毒的強度。一些衣殼在不到一分鐘的時間內(nèi)組裝完畢，有的花費了兩到三分鐘，有的花費了五分鐘以上。但是一旦它們開始組裝，它們就不會返回，直到完成。”

研究人員將這些觀察結(jié)果與以前的模擬結(jié)果進行了比較，該模擬結(jié)果預(yù)測了兩種組裝路徑。在一種途徑中，蛋白質(zhì)首先隨機粘在RNA上，然后將自身重排成衣殼。第二，在衣殼組裝之前必須形成一定數(shù)量的蛋白質(zhì)“核”。

實驗結(jié)果與第二種猜測相符。對于不同的病毒，核的時間形成也不同，但是一旦形成，病毒便會迅速生長，直到達到適當(dāng)大小時才會停止。

研究人員還注意到，當(dāng)?shù)孜锷狭鲃拥牡鞍踪|(zhì)數(shù)量過多時，病毒組裝錯誤的幾率也會上升。

“以這種方式組裝的病毒必須在核的形成與衣殼的生長之間取得平衡。如果核形成得太快，則完整的衣殼將無法生長。這種觀察結(jié)果可能使我們對如何使病原性病毒的組裝脫軌有所了解。 ”，Manoharan說。

各個蛋白質(zhì)如何結(jié)合形成核仍然是一個懸而未決的問題，但是既然實驗者已經(jīng)確定了這種途徑，研究人員便可以開發(fā)新模型來探索該途徑中的組裝。這些模型對于設(shè)計可自行組裝的納米材料也可能有用。Manoharan說：“這是定量生物學(xué)的一個很好的例子，因為我們有可以用數(shù)學(xué)模型描述的實驗結(jié)果。”