利用物理学探索病毒的自组装

通过数十年的研究，生物学家已经确定，在正确的条件下，病毒可以从其组成蛋白组装。然而，到目前为止，这个过程的许多精确特征都有挑选的研究人员。Guillaume Tresset博士Paris-Saclay旨在通过测量X射线如何通过自组装病毒分散的实验来填补这些差距。他的团队的工作现已产生了显着的进展，以了解复杂的分子结构如何在使用注射的遗传物质作为蓝图的喷射遗传物质在细胞内部构建自身。

病毒是分子生物学中最有趣的结构之一。自19世纪晚期发现诺如病毒以来，它们在传播非细菌性疾病方面发挥着核心作用，每年全球仅诺如病毒就造成约20万人死亡。在其他地方，它们几乎是每个自然生态系统的普遍组成部分，并对许多植物和动物的种群有着深远的影响。病毒的典型特征之一是被称为“衣壳”的蛋白质笼子，它包住并保护它们的遗传物质，无论是RNA还是DNA。

为了自我复制，病毒必须将其遗传物质注入活细胞。在内部，病毒遗传物质由细胞机械表达，以产生新的病毒蛋白和遗传物质，然后将自组装成新的传染性病毒。新的病毒蛋白分子有序地，近乎球形的形状，名为Icosahedrons。“在我们的病毒中，编码病毒基因组的四个段的RNA分布在三个单独的衣壳中，以便复制病毒所需的衣壳中，”博士解释说。“这些保护RNA的衣壳体，由90个蛋白质亚单元组成，该蛋白质亚单元布置在形成20侧固体的结构中。”只有30纳米，这些结构通过在周围环境中的相互作用的相互作用来构建自己，包括温度和pH值。

神秘的组装过程
尽管生物学家对衣壳结构的深入了解，但其知识的辉煌差距仍然存在，周围展开作为在细胞内部自组装的病毒的分子机制。也许自组装过程的研究的主要困难是它可能需要的中间步骤的纯粹数量。此外，它还涉及各种时间尺寸，其可以从几小时间到仅毫秒。过去的生物学家通过将光通过蛋白质分子通过它们组装成衣壳的蛋白质分子来量化这些时期，并且测量由于变化的分子结构而导致其路径随时间随时间偏转的变化。然而，通过该技术可用的分辨率尚未证明足够高，以便自己映射结构。

在某种程度上，计算机模拟已经解决了这个问题，计算机模拟已经确定了几种不同病毒形成途径的精确分子动力学。尽管如此，验证这些理论结果的实验证据仍然缺乏。正如特蕾塞特博士所描述的那样:“病毒的存活部分取决于它在宿主细胞内快速、无缺陷地组装的能力。由于很难在大范围的时间尺度上检测生物分子，目前的实验测量方法非常少。”由于没有足够的能力来研究这些过程，研究人员目前无法找到解决病毒对我们社会造成的许多公共卫生问题和经济损害的办法。

知识中的一个明显的差距仍然存在，围绕作为在细胞内自组装的病毒展开的分子机制。

x射线散射探测
在他们的研究中，Tresset博士及其同事旨在通过利用生物分子的物理性质的复杂技术更有效地解决这些挑战。就像物理学家研究的软材料一样，包括液体，泡沫和聚合物，蛋白质可以响应某些探测技术而显示特征性行为。特别地，它们与X射线相互作用，通过加速电子到高速，可以在高强度下产生：一种称为“同步辐射”的技术。由于X射线具有比可见光更短的波长，因此研究人员更容易测量它们的路径如何通过自组装分子随时间通过自组装分子偏离不同程度。

利用同步加速器辐射，研究小组测量了单个蛋白质亚基散射x射线路径的特征方式，这使他们对衣壳形成有了重要的新见解。“该病毒是由纯化的蛋白质亚基和基因组RNA重组而成的，它的自发组装是通过同步加速器源及时解决的小角度x射线散射法完成的，”Tresset博士解释道。随着空间分辨率足够高，可以捕捉到只有几纳米宽的结构，时间分辨率超过100毫秒，特蕾塞特博士的团队最终可以研究衣壳自组装过程中展开的确切机制。

新的洞察自我装配
通过这些实验，研究人员现在已经得出结论，为了空衣壳组装本身，它们的组成蛋白亚基必须遵循精确的事件序列，并在过程的过程中定位在高度特定的位置。相反，通过RNA或DNA提供全部病毒中衣壳形成的蓝图。最初，这种遗传物质捕获蛋白质亚基，形成复杂的簇。在正确的条件下，这些结构然后在超过一个小时后安排到ICOSAHEDRONS中。“对于完整的病毒，基因组充当模板，捕获在少于第二个大量亚基以形成无序复合物中，”博士解释道。“后者自我组织在长期时间内，同时继续捕获缺失的亚基，并产生保护性衣壳。”

此外，该团队的实验表明，该方法首先具有亚基对遗传物质的中等结合亲和力，这受到分子之间的静电相互作用的影响。之后，必须将高能量屏障交叉以用于将其自身组装成衣壳的结合亚基。通过这种知识，Dresset和同事博士能够探索合成的携带聚合物如何降低这种能量屏障，允许在病毒无法组装自身的条件下形成填充的衣壳。

推进我们对病毒的理解
特蕾塞特博士和他的同事们说，他们的结果是通过结合软物质物理学和分子生物学的概念而实现的——这是一种在以前的研究中一直被忽视的方法。最终，他们在实验中发现的过程可能很快为生物学家提供更好的方法来识别特定病毒的形成机制，并使纳米工程师能够为自己制造衣壳。

作为Dresset的结论，“这种机制将有利于快速关联病毒的基本组分，并确保基因组的选择性并纠正任何装配误差。理解这种机制可以帮助设计治疗策略来阻止病毒复制。“通过进一步研究，团队的见解可以使研究人员能够比以往任何时候都更有效地研究病毒传播的疾病;并探讨缺陷病原体以前所未有的细节程度的性质。