In che modo le centinaia di singoli pezzi che compongono i virus si assemblano in forme in grado di diffondere la malattia da cellula a cellula?

Risolvere il mistero dell'autoassemblaggio può aprire la strada a progressi ingegneristici come molecole o robot che si mettono insieme. Potrebbe anche contribuire a un confezionamento più efficiente, a una consegna automatizzata e a una progettazione mirata di farmaci nella nostra lotta contro i virus che causano raffreddore, diarrea, cancro al fegato e poliomielite.

"Se comprendiamo le regole fisiche di come si assemblano i virus, allora possiamo provare a farli formare strutture errate per ostacolare la loro diffusione", ha affermato Rees Garmann, un chimico della San Diego State University e autore principale di un nuovo articolo che compila un pezzo del puzzle.

Garmann, insieme a due studenti laureati SDSU e collaboratori presso Harvard e UCLA, ha concluso che due virus RNA lontanamente imparentati, uno che infetta i batteri e uno che infetta le piante, eseguono questa coreografia chimica in modi sorprendentemente simili.

In entrambi i virus, e potenzialmente in altri, i componenti proteici si modellano perfettamente in pentagoni ed esagoni che formano un guscio icosaedrico simmetrico, una delle forme più diffuse tra tutti i virus, grazie a un'impalcatura fornita da un filamento di RNA avvolto e piegato.

Simile al modo in cui un fiocco di neve richiede un paio di molecole di acqua gelida per circondare una particella di polvere prima di cristallizzarsi, la sfera proteica simile a una palestra di un virus si fonde rapidamente solo dopo che alcune proteine ​​si attaccano liberamente all'RNA.

"Senza le interazioni tra le proteine ​​e l'RNA che stavano studiando i miei studenti, Fernando Vasquez e Daniel Villareal, ci vorrebbe molto tempo - settimane, mesi, forse mai - prima che questo virus si assemblasse", ha detto Garmann.

Eppure l'intero processo di assemblaggio, che Garmann ei suoi collaboratori hanno catturato in video dettagliati utilizzando un innovativo microscopio iSCAT (scattering interferometrico) che registra i singoli virus, richiede solo pochi minuti.

"La tecnica iSCAT ha aperto una nuova finestra sull'autoassemblaggio dei virus", ha affermato Vinothan N. Manoharan, coautore dello studio e professore di ingegneria chimica e professore di fisica della famiglia Wagner presso la John A. Paulson School of Engineering di Harvard e Scienze applicate. "Solo vedendo la formazione dei singoli virus possiamo determinare che non si assemblano tutti contemporaneamente. Questa è stata la chiave per comprendere il meccanismo di autoassemblaggio condiviso dai due tipi di virus".

Garmann afferma che i loro esperimenti indicano la strada per rispondere al prossimo grande mistero di come i virus garantiscano accuratezza e funzionalità in tutte le fasi della catena di montaggio.

Sapere di più su come si assemblano i virus è correlato al paradosso della fisica degli anni '50 di come le proteine ​​si ripiegano nelle loro forme appropriate molto più velocemente che se si basassero esclusivamente su incontri casuali, un processo che si stima richieda più tempo dei miliardi di anni in cui l'universo è esistito.

Un caso chiuso, altri aperti

Sebbene i virus in questo studio e il virus che causa il COVID-19 abbiano entrambi RNA, i ricercatori affermano che estendere questi risultati al virus SARS-CoV-2 più grande e strano sarebbe prematuro.

"La speranza della nostra ricerca è di conoscere alcune interazioni fisiche fondamentali che si verificano in questi sistemi modello", ha affermato Vasquez, uno studente di dottorato in chimica. "Maybe with more data and time, they can be applied to studying a new virus."

"Self-assembly—designing components that know how to get together—is totally different from how we build ordinary things," Garmann said. "As engineers, we have a lot to learn from viruses." + Esplora ulteriormente

First video of viruses assembling released