I ricercatori per la prima volta hanno acquisito immagini della formazione di singoli virus, offrendo una visione in tempo reale della cinetica dell’assemblaggio virale. La ricerca fornisce nuove conoscenze su come combattere i virus e ingegnerizzare particelle autoassemblanti.
Vinothan Manoharan professore d’ingegneria chimica e professore di fisica all’Università di Harvard, ha detto:
«La biologia strutturale è stata in grado di determinare la struttura dei virus con una risoluzione sorprendente, fino a ogni atomo di ogni proteina, ma ancora non sapevamo come quella struttura si mette insieme da sola. La nostra tecnica fornisce la prima finestra su come i virus si mettono insieme e rivela la cinetica e i percorsi nei dettagli quantitativi».
Vinothan Manoharan è anche condirettore della Quantitative Biology Initiative un centro scientifico di Harvard riunisce biologia, nuove tecniche di misurazione, statistiche e matematica per sviluppare modelli matematici causali e predittivi di sistemi biologici.
Vinothan Manoharan e il suo team si sono concentrati sui virus a RNA a singolo filamento, il tipo di virus più abbondante sul pianeta (i virus RNA negli esseri umani sono responsabili, tra l’altro, della febbre del Nilo occidentale, della gastroenterite, dell’afta epizootica, della poliomielite e del comune raffreddore), hanno studiato il virus che infetta i batteri dell’E. coli, ha un diametro di circa 30 nanometri ed ha un frammento di RNA, con circa 3.600 nucleotidi, e 180 proteine identiche. Le proteine si dispongono in esagoni e pentagoni per formare intorno al RNA una struttura simile a una palla da calcio chiamata capside.
Il modo in cui queste proteine riescono a formare quella struttura è la questione centrale nell’assemblaggio dei virus. I virus e i loro componenti sono molto piccoli e le loro interazioni sono molto deboli, per questo fino ad ora, nessuno era stato in grado di osservare l’assemblaggio dei virus in tempo reale (vedi video – Le macchie scure sono virus individuali. Le macchie diventano più scure man mano che sempre più proteine si attaccano al filamento di RNA).
I ricercatori per osservare i virus hanno utilizzato una tecnica ottica nota come microscopia a diffusione interferometrica, in cui la luce diffusa da un oggetto crea una macchia scura in un campo di luce più ampio. La tecnica non rivela la struttura del virus, ma la sua dimensione e come tale dimensione cambia nel tempo.
I ricercatori hanno attaccato i filamenti del virus RNA a un substrato, come steli di un fiore, e hanno fatto scorrere le proteine sulla superficie, quindi, usando il microscopio interferometrico, hanno osservato come apparivano le macchie scure e mentre diventavano costantemente più scure fino a quando non avevano le dimensioni di virus adulti. Registrando le intensità di quei punti in crescita, i ricercatori nel tempo hanno potuto effettivamente determinare quante proteine si erano attaccate a ciascun filamento di RNA.
Vinothan Manoharan ha aggiunto:
«Ciò che abbiamo subito notato è che l’intensità di tutti i punti è diminuita e poi è aumentata fino all’intensità di un virus completo. Ciò è avvenuto in tempi diversi, alcuni capsidi sono stati assemblati in meno di un minuto, altri in due o tre, altri in più di cinque minuti, ma una volta che hanno iniziato ad assemblarsi, non hanno fatto marcia indietro, sono cresciuti fino al completamento».
I ricercatori hanno confrontato queste osservazioni con i risultati precedenti delle simulazioni, che prevedevano due tipi di percorsi di assemblaggio. Le proteine nel primo tipo di percorso si attaccano prima in modo casuale al RNA e quindi si riorganizzano in un capside; nel secondo, una massa critica di proteine, chiamato nucleo, deve formarsi prima che il capside possa crescere.
I risultati sperimentali corrispondevano al secondo percorso ed escludevano il primo. Il nucleo si forma in momenti diversi per virus diversi ma una volta che lo fa, il virus cresce rapidamente e non si ferma fino a raggiungere la giusta dimensione.
I ricercatori hanno anche notato che i virus tendevano a disassemblare più spesso quando c’erano più proteine che scorrevano sul substrato.
Vinothan Manoharan in conclusione ha detto:
«I virus che si assemblano in questo modo devono bilanciare la formazione di nuclei con la crescita del capside. Se i nuclei si formano troppo rapidamente, i capsidi completi non possono crescere; quell’osservazione potrebbe darci alcune idee su come far deragliare l’assemblaggio di virus patogeni.
Il modo in cui le singole proteine si uniscono per formare il nucleo è ancora una domanda aperta ma ora che gli sperimentatori hanno identificato il percorso, i ricercatori possono sviluppare nuovi modelli che esplorano l’assemblaggio all’interno di quel percorso, questi modelli potrebbero anche essere utili per la progettazione di nanomateriali che si assemblano da soli.
È questo un buon esempio di biologia quantitativa, poiché abbiamo risultati sperimentali che possono essere descritti da un modello matematico».