Virusi su subćelijski entiteti koji inficiraju organizme iz različitih kraljevstava života. U svom najjednostavnijem obliku oni su upravo sastavljeni od infektivnog genetskog materijala (DNA ili RNA) i zaštitne proteinske ljuske (kapsid), koja se obično gradi iz nekoliko kopija istog proteina u procesu samo-sklapanja. Virusne čestice pokazuju visoke simetrične strukture zasnovane na različitim geometrijama (sfere, sferocilindri, konusi, …), i posjeduju zapanjujuća mehanička svojstva. U našem istraživanju nas zanimaju:
karakterizacija tih različitih virusnih arhitektura i njihove mehaničke značajke iz fizikalnih principa
proces samo-sklapanja virusnih formacija, što je zapravo problem nukleacije
i različiti mehanizmi kapsulacije i isporuke genetskog materijala.
Životni ciklus virusa u stanici (infekcija, replikacija i oslobađanje) istražuje se dugi niz godina s biološke perspektive; naš je interes pokušati doprinijeti razumijevanju različitih koraka životnog ciklusa virusa s fizičke točke gledišta.
Struktura
Školjka (kapsid) virusa izrađena je od više kopija jedne (ili nekoliko) asimetričnih proteinskih podjedinica, koje se obično grupiraju u morfološke jedinice nazvane kapsomeri. Kapsidi pokazuju različite vrste geometrijskih oblika (npr. Šipkaste, sferne, sferocilindrične, konične, …) sa izrazito simetričnim svojstvima. Konkretno? Ikosaedrska simetrija prisutna je u svim sfernim kapicama. U našem istraživanju razvijamo različite teorijske pristupe za karakterizaciju geometrijskih principa virusnih školjaka i razumijevanje podrijetla tih arhitektura na temelju fizičkih principa (npr. Minimiziranje energije).
Slika s lijeva na desno: krio-em rekonstrukcija bakteriofaga T4 (Fokine et al., PNAS 2004) i kapsida sa sferocilindričnim brojevima T = 13 i Q = 20.
Samosklapanje
Genetski materijal virusa sadrži osnovne informacije za izgradnju novih virusnih čestica pomoću mašina zaražene ćelije. Stoga u nekom trenutku ovaj genetski kod aktivira vlastitu replikaciju i proizvodnju višestrukih kopija obično jednog proteina koji čini virusnu ljusku (kapsid). Konačno, ti se elementi spontano sastavljaju da bi se stvorila virusna čestica. Iako je nekim virusima potreban molekulski motor da bi spakirali genetski materijal u kapsid, općenito nema potrošnje ATP-a u cjelokupnom procesu samo-sklapanja (formiranje kapsida i pakiranje). Iz fizičke perspektive, ovim procesom vlada minimiziranje slobodne energije sistema, a neke sličnosti dijeli s kristalizacijom i drugim nuklearnim procesima. U našem istraživanju razvijamo različite pristupe za karakterizaciju interakcije između različitih elemenata virusnih čestica, kombinirajući računske i statističke alate za fiziku kako bi proučavali viralno samosklapanje.
Mehaničke osobine
Proteinska ovojnica virusa (kapsid) izgrađena je u višestrukim kopijama jedne (ili nekoliko) proteinskih podjedinica, a njihove slabe i slabe interakcije (ne mnogo veće od toplotne energije) dovoljne su da vode samo-sastavljanje proteina u stabilnu strukturu. Taj postupak ovisi o koncentraciji virusnih proteina, pH, saliniteti i temperaturi otopine, a za različite uvjete isti virusni porteini mogu stvoriti različite strukture. Međutim, konačni kapsid može biti vrlo snažan za promjene u biološkim uvjetima okoliša, pa primjerice neki virusi mogu podnijeti osmotski pritisak od ~ 100atm. Ta mehanička robusnost omogućava virusima da opstanu u različitim okruženjima dok ne zaraze novog domaćina, a takođe su važni u isporuci genetskog materijala. Proučavamo mehanička svojstva virusnih ljuski s globalnog i lokalnog stajališta pokušavajući shvatiti kako su otpornost i mehanička svojstva virusa povezana s njihovom kapsidnom strukturom.
Slika: lokalna stresna slika nekoliko ikosaedrskih kapsida (Zandi i Reguera, PRL 2005).
Enkapsulacija
Genetski materijal je infektivni dio virusa, stoga bez njega virusi nisu u stanju da se repliciraju unutar stanice. U životnom ciklusu virusa postoje dva ključna koraka koja uključuju genetski materijal: prvo, isporuka ove makromolekule unutar mašinskih ćelija od suštinskog je značaja u procesu infekcije. Međutim, postoji mnogo različitih mehanizama za postizanje ove svrhe. Na primjer, bakteriofazi ga obično ubrizgavaju izvan ćelije, dok drugi virusi prodiru u ćeliju i oslobađaju genetski materijal rastavljanjem ili pucanjem kapsida. Drugi važan korak je inkapsulacija replicirane RNA / DNK. Kod mnogih se virusa ovo događa zajedno tokom istog procesa samo-sklapanja koji proizvodi kapsid. Međutim, u drugim slučajevima prisustvo molekularnih motora je neophodno za pakiranje genetskog materijala unutar kapside koja zahteva potrošnju hemijske energije (ATP).
U našem istraživanju zanima nas kako prisutnost genetskog materijala ili drugih vrsta tereta utječe na proces samo-sklapanja kapsida, a također i na ispitivanje svojstava proteinskih ljuski koje mogu objasniti različite moguće mehanizme isporuke.
Izvor: http://www.ffn.ub.edu/davidr/index.php?option=com_content&view=category&layout=blog&id=35&Itemid=62