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物理学家解释了大型球形病毒是如何形成的

病毒是生物学中最简单的物理对象,由称为衣壳的蛋白质壳组成,可保护其核酸基因组 - RNA或DNA。衣壳可以是圆柱形或圆锥形,但更常见的是它呈现二十面体结构,如足球。

衣壳形成是病毒感染过程中最关键的步骤之一。如果病毒很小,衣壳会自发形成。然而,较大的球形病毒,例如单纯疱疹病毒或传染性法氏囊病病毒,需要天然产生的“支架蛋白”的辅助,其作为指导衣壳形成的模板。这些大型病毒壳如何组装成高度对称的结构尚不清楚。由加州大学河滨分校的一位科学家领导的物理学家和病毒学家团队现已在“美国国家科学院院刊”上发表了一篇研究论文,解释了大型病毒壳是如何形成的。他们的工作也可以用来解释自然界中形成的大球形晶体。

这种理解可能有助于研究人员阻止病毒的形成,包含病毒性疾病的传播。依靠一种称为连续弹性理论的理论,研究人员研究了大球形衣壳的生长。他们表明,该模板以无错误的方式指导衣壳蛋白亚基的形成 - 壳的各个构建块 - 最终形成高度对称,稳定的二十面体结构。“随着球形结构的增长,我们看到了潜在的深井 - 或亲和力 - 在数学上指定的位置,后来成为二十面体结构的顶点,”UCR物理和天文学系教授Roya Zandi说道。领导了研究项目。“由于脚手架蛋白质不提供这种模板,蛋白质亚基通常会组装成更小,更不稳定的结构。”

该研究包括计算机模拟和复杂数学 - 特别是拓扑学,它是几何图形或实体的属性的数学研究,不会因拉伸或弯曲而改变。它从根本上解释了结构单元和支架蛋白的机械性质在衣壳形成中的作用。对于大衣壳呈现稳定的二十面体结构,蛋白质亚基需要具有特定的物理性质。此外,研究人员认为,蛋白质亚基与模板之间的相互作用是必要的。二十面体是具有12个顶点,20个面和30个边的几何结构。官方足球是一种二十面体,称为截顶二十面体;它有32个面板,切成20个六边形和12个五边形。它有60个顶点和90个边。五边形通过六边形彼此分开。所有二十面体结构,无论大小,都必须只有12个五边形。

Zandi通过调用Thomson问题解释了二十面体问题,该问题指出单位球体表面上的点电荷将最小化系统的总能量。解决问题的方法是将每个点的电荷放置在最近的邻居尽可能远的地方。

“如果你有一个球形导体并且你在其上放了12个电子,他们就会希望彼此尽可能远,”她说。“他们最终得到了二十面体的顶点。鉴于这些知识,当病毒壳生长时,那么,基于弹性理论,你将需要至少12个缺陷点,称为向错。想象一下,如果你必须包裹一张纸在一个球体周围的纸张。你将被迫在某些点折叠纸张以使其呈现球形。这些是向错的点,它们是无法避免的。如果你要用小三角形做一个球壳,你需要制作12个五边形。没有12个五边形,不可能是球形。“

Zandi强调,为了更有效地攻击病毒,需要对其形成方式有充分的了解,这可以为研究人员提供更好的方法来中断其形成,从而遏制病毒性疾病的传播。“当病毒很大时,蛋白质亚基如何知道如何安排自己形成最稳定的壳 - 一个二十面体?”她补充道。“第一次旋错应该出现在哪里?下一次出现怎么样?成千上万的蛋白质亚基如何结合在一起形成具有如此精确和对称性的二十面体结构?脚手架蛋白质的作用是什么?为什么大型稳定壳体不会形成脚手架蛋白?这些问题指导了我们的研究。“

Zandi解释说,每个蛋白质亚基都具有弯曲能量,这意味着一个亚基更喜欢在某个角度遇到另一个亚基。对于小的二十面体结构,这个角度小且尖锐。但是为了形成大的二十面体结构或衣壳,该角度大且钝,并且需要脚手架蛋白质提供的帮助。没有这种帮助,蛋白质亚基将形成无尽的长管,因为这种努力需要更少的能量。“我们现在表明,这种趋势受到脚手架蛋白质的阻碍,这会迫使蛋白质亚基稍微弯曲,弯曲并形成12个五边形,然后形成二十面体结构,”赞迪说。“我们的研究证明,如果没有这种脚手架,就不可能形成一个大的高度稳定的二十面体壳。”

Zandi说,病毒是最好的纳米容器。它们可用于将药物输送到体内的特定目标,因为它们特别擅长接触细胞。例如,可以制造病毒以运输货物,例如基因组和药物,用于癌细胞的治疗目的。“反组装药物可能比其他药物更有效,因为病毒适应性对特定装配界面的突变特别敏感,”赞迪说。“事实上,最近设计的小分子禁止通过类似机制复制某些病毒。”病毒不会呼吸,代谢或生长。但他们确实复制了。最简单的病毒具有60个蛋白质亚基的壳。三个不对称亚基蛋白占据每个三角形面,并且所有60个亚基相互等同。对于复杂病毒,亚基数是60的倍数。

该研究由国家科学基金会资助。

Zandi参加了UCR的Siyu Li的研究;英国伦敦卫生和热带医学学院的病毒学家Polly Roy;和爱荷华州立大学的Alex Travesset。Li,Zandi实验室的研究生,是研究论文的第一作者。

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