哈佛大学成功捕获单病毒形成图像 新型成像技术成亮点
最近，研究人员第一次捕获了单个病毒形成的图像，从而实时了解了病毒装配的动力学特征。该研究为如何对抗病毒和工程自组装粒子提供了新的见解。该研究发表在《PNAS》杂志上。
哈佛大学约翰·保尔森工程学院的物理学教授Vinothan Manoharan表示：“结构生物学已经能够以惊人的分辨率解析病毒的结构，甚至可以到每种蛋白质中的每个原子。但是我们仍然不知道病毒结构如何自我组装。我们的技术为了解病毒如何组装提供了第一个窗口，并在定量细节上揭示了动力学和途径。”
Manoharan还是“定量生物学计划”（Quantitative Biology Initiative）的共同负责人，该计划是哈佛大学的一项跨学科工作，将生物学，新颖的测量技术，统计学和数学结合在一起，以开发生物系统的预测性数学模型。
（图片来源：Www.pixabay.com）
Manoharan和他的团队专注于单链RNA病毒，这是地球上最丰富的病毒。在人类中，RNA病毒是造成西尼罗河热，胃肠炎，手足口病，脊髓灰质炎和普通感冒的原因之一。
这些病毒往往非常简单。 Manoharan和他的研究小组研究的，能够感染大肠杆菌的病毒直径约30纳米，具有一个RNA片段，约有3600个核苷酸和180个相同的蛋白质。蛋白质排列成六边形和五边形，在RNA周围形成足球状结构，称为衣壳。
这些蛋白质如何形成这种结构是病毒装配中的核心问题。到目前为止，由于病毒及其成分很小，并且相互作用很弱，因此还没有人能够实时观察病毒装配。
为了观察病毒，研究人员使用了一种称为干涉散射显微镜的光学技术，其中从物体上散射的光会在更大的光场中产生一个黑点。该技术不能揭示病毒的结构，但可以揭示病毒的大小以及大小如何随时间变化。
研究人员将病毒RNA链连接到基质上，并使蛋白质流过表面。然后，使用干涉显微镜，他们观察到出现了黑点，并逐渐变暗，直到达到成熟病毒的大小。通过记录那些生长点的强度，研究人员实际上可以确定随着时间的流逝，每个RNA链上附着了多少蛋白质。
Manoharan说：“我们立即注意到的一件事是，所有斑点的强度开始都很低，然后又上升到完全病毒的强度。一些衣壳在不到一分钟的时间内组装完毕，有的花费了两到三分钟，有的花费了五分钟以上。但是一旦它们开始组装，它们就不会返回，直到完成。”
研究人员将这些观察结果与以前的模拟结果进行了比较，该模拟结果预测了两种组装路径。在一种途径中，蛋白质首先随机粘在RNA上，然后将自身重排成衣壳。第二，在衣壳组装之前必须形成一定数量的蛋白质“核”。
实验结果与第二种猜测相符。对于不同的病毒，核的时间形成也不同，但是一旦形成，病毒便会迅速生长，直到达到适当大小时才会停止。
研究人员还注意到，当底物上流动的蛋白质数量过多时，病毒组装错误的几率也会上升。
“以这种方式组装的病毒必须在核的形成与衣壳的生长之间取得平衡。如果核形成得太快，则完整的衣壳将无法生长。这种观察结果可能使我们对如何使病原性病毒的组装脱轨有所了解。 ”，Manoharan说。
各个蛋白质如何结合形成核仍然是一个悬而未决的问题，但是既然实验者已经确定了这种途径，研究人员便可以开发新模型来探索该途径中的组装。这些模型对于设计可自行组装的纳米材料也可能有用。Manoharan说：“这是定量生物学的一个很好的例子，因为我们有可以用数学模型描述的实验结果。”
资讯出处：Rare view into the formation of viruses
原始出处：Rees F. Garmann, Aaron M. Goldfain, Vinothan N. Manoharan. Measurements of the self-assembly kinetics of individual viral capsids around their RNA genome. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2019； 201909223 DOI: 10.1073/pnas.1909223116
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