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(gè)病毒形成的圖像，從而實(shí)時(shí)了解了病毒裝配的動(dòng)力學(xué)特征。該研究為如何對(duì)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(gè)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(gè)窗口，并在定量細(xì)節(jié)上揭示了動(dòng)力學(xué)和途徑。”

Manoharan還是“定量生物學(xué)計(jì)劃”（Quantitative Biology Initiative）的共同負(fù)責(zé)人，該計(jì)劃是哈佛大學(xué)的一項(xiàng)跨學(xué)科工作，將生物學(xué)，新穎的測(cè)量技術(shù)，統(tǒng)計(jì)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(cè)性數(shù)學(xué)模型。

Manoharan和他的團(tuán)隊(duì)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(jiǎn)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(gè)RNA片段，約有3600個(gè)核苷酸和180個(gè)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(shí)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(huì)在更大的光場(chǎng)中產(chǎn)生一個(gè)黑點(diǎn)。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(shí)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(diǎn)，并逐漸變暗，直到達(dá)到成熟病毒的大小。通過記錄那些生長(zhǎng)點(diǎn)的強(qiáng)度，研究人員實(shí)際上可以確定隨著時(shí)間的流逝，每個(gè)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(diǎn)的強(qiáng)度開始都很低，然后又上升到完全病毒的強(qiáng)度。一些衣殼在不到一分鐘的時(shí)間內(nèi)組裝完畢，有的花費(fèi)了兩到三分鐘，有的花費(fèi)了五分鐘以上。但是一旦它們開始組裝，它們就不會(huì)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(jìn)行了比較，該模擬結(jié)果預(yù)測(cè)了兩種組裝路徑。在一種途徑中，蛋白質(zhì)首先隨機(jī)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(shí)驗(yàn)結(jié)果與第二種猜測(cè)相符。對(duì)于不同的病毒，核的時(shí)間形成也不同，但是一旦形成，病毒便會(huì)迅速生長(zhǎng)，直到達(dá)到適當(dāng)大小時(shí)才會(huì)停止。

研究人員還注意到，當(dāng)?shù)孜锷狭鲃?dòng)的蛋白質(zhì)數(shù)量過多時(shí)，病毒組裝錯(cuò)誤的幾率也會(huì)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(zhǎng)之間取得平衡。如果核形成得太快，則完整的衣殼將無(wú)法生長(zhǎng)。這種觀察結(jié)果可能使我們對(duì)如何使病原性病毒的組裝脫軌有所了解。 ”，Manoharan說。

各個(gè)蛋白質(zhì)如何結(jié)合形成核仍然是一個(gè)懸而未決的問題，但是既然實(shí)驗(yàn)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(duì)于設(shè)計(jì)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(gè)很好的例子，因?yàn)槲覀冇锌梢杂脭?shù)學(xué)模型描述的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。”