Un virus, l'oggetto fisico più semplice in biologia, consiste in un guscio proteico chiamato capside, che protegge il suo genoma di acido nucleico, RNA o DNA. Il capside può essere di forma cilindrica o conica, ma più comunemente assume una struttura icosaedrica, come un pallone da calcio.

La formazione del capside è uno dei passaggi più cruciali nel processo di infezione virale. Se il virus è piccolo, il capside si forma spontaneamente. Virus sferici più grandi, però, come il virus dell'herpes simplex o il virus della malattia infettiva della borsa, bisogno dell'assistenza di "proteine ​​di impalcatura prodotte naturalmente, " che servono da modello guidando la formazione del capside. Non è ben compreso come questi grandi gusci virali si assemblano in strutture altamente simmetriche.

Un team di fisici e un virologo, guidato da uno scienziato dell'Università della California, lungo il fiume, ha ora pubblicato un documento di ricerca nel Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze spiegando come si formano i gusci dei virus di grandi dimensioni. Il loro lavoro può essere utilizzato anche per spiegare come si formano in natura i grandi cristalli sferici.

Questa comprensione può aiutare i ricercatori a interrompere la formazione dei virus, contenere la diffusione di malattie virali.

Basandosi su una teoria chiamata teoria dell'elasticità del continuo, i ricercatori hanno studiato la crescita di grandi capsidi sferici. Hanno dimostrato che il modello guida la formazione delle subunità proteiche del capside, i singoli elementi costitutivi del guscio, in un modo privo di errori e risultati, in definitiva, in modo altamente simmetrico, stabile struttura icosaedrica.

"Man mano che la struttura sferica cresce, vediamo pozzi potenziali profondi - o affinità - in posizioni specificate matematicamente che in seguito diventano i vertici della struttura icosaedrica, " ha detto Roya Zandi, un professore di presso il Dipartimento di Fisica e Astronomia dell'UCR, che ha guidato il progetto di ricerca. "In assenza di questo modello fornito dalle proteine ​​dell'impalcatura, le subunità proteiche spesso si assemblano in piccoli, strutture meno stabili”.

Lo studio include simulazioni al computer e matematica complessa, in particolare, topologia, che è lo studio matematico delle proprietà di una figura geometrica o solido che non vengono modificate dall'allungamento o dalla flessione. Spiega a un livello fondamentale quale ruolo giocano le proprietà meccaniche dei mattoni e delle proteine ​​di impalcatura nella formazione dei capsidi. Affinché i grandi capsidi assumano strutture icosaedriche stabili, le subunità proteiche devono avere proprietà fisiche specifiche. Ulteriore, è necessaria un'interazione tra le subunità proteiche e uno stampo, postulano i ricercatori.

Un icosaedro è una struttura geometrica con 12 vertici, 20 facce, e 30 lati. Un pallone da calcio ufficiale è una specie di icosaedro, chiamato icosaedro troncato; ha 32 pannelli tagliati a forma di 20 esagoni e 12 pentagoni. Ha 60 vertici e 90 bordi. I pentagoni sono separati l'uno dall'altro da esagoni. Tutte le strutture icosaedriche, indipendentemente dalle dimensioni, deve avere solo 12 pentagoni.

Zandi ha spiegato un icosaedro invocando il problema Thomson, che afferma che le cariche puntiformi poste sulla superficie di una sfera unitaria minimizzeranno l'energia totale del sistema. Le soluzioni al problema posizionano ogni carica puntiforme in modo tale che i suoi vicini più vicini siano il più lontano possibile.

"Se hai un conduttore sferico e ci metti 12 elettroni, vorranno essere il più lontano possibile l'uno dall'altro, " ha detto. "Finiscono sui vertici di un icosaedro. Data questa conoscenza, quando un guscio di virus cresce, poi, sulla base della teoria dell'elasticità, avrai bisogno di almeno 12 punti difettosi, chiamate declinazioni. Immagina di dover avvolgere un foglio di carta attorno a una sfera. Saresti costretto a piegare la carta in determinati punti affinché assuma la forma sferica. Questi sono punti di disclinazione, e non possono essere evitati. Se dovessi creare un guscio sferico usando piccoli triangoli, dovresti fare 12 pentagoni. Senza 12 pentagoni, una forma sferica non è possibile."

Zandi ha sottolineato che per attaccare i virus in modo più efficace è necessaria una solida comprensione di come si formano, che possono informare i ricercatori sui modi migliori per interrompere la loro formazione e quindi contenere la diffusione delle malattie virali.

"Quando un virus è grande, come fanno le subunità proteiche a sapere come organizzarsi per formare il guscio più stabile possibile, uno icosaedrico?" ha aggiunto. "Dove dovrebbe apparire la prima declinazione? E il prossimo? Come possono migliaia di subunità proteiche unirsi e formare strutture icosaedriche con tale precisione e simmetria? E qual è il ruolo delle proteine ​​di scaffolding? Perché i grandi gusci stabili non possono formarsi senza proteine ​​di impalcatura? Queste domande hanno guidato la nostra ricerca".

Zandi ha spiegato che ogni subunità proteica ha un'energia di flessione, il che significa che una subunità preferisce incontrare un'altra subunità ad una certa angolazione. Per una piccola struttura icosaedrica, questo angolo è piccolo e acuto. Ma per formare una grande struttura icosaedrica o capside, questo angolo è grande e ottuso, e richiede l'assistenza fornita dalle proteine ​​dell'impalcatura. Senza questo aiuto, le subunità proteiche formerebbero un lungo tubo infinito perché quello sforzo richiede meno energia.

"Mostriamo ora che questa tendenza è ostacolata dalle proteine ​​dell'impalcatura, che costringono le subunità proteiche a piegarsi leggermente, allacciati e forma 12 pentagoni, che poi porta alla formazione di una struttura icosaedrica, " ha detto Zandi. "Il nostro studio dimostra che senza questa impalcatura, è impossibile formare un grande guscio icosaedrico altamente stabile."

I virus sono i migliori nano-contenitori, ha detto Zandi. Possono essere usati per somministrare farmaci a obiettivi specifici nel corpo perché sono particolarmente abili nel raggiungere le cellule. Per esempio, virus possono essere fatti per trasportare merci, come genomi e farmaci, per scopi terapeutici alle cellule tumorali.

"I farmaci anti-assemblaggio possono essere più efficienti di altri farmaci perché l'idoneità virale è particolarmente sensibile alle mutazioni a specifiche interfacce di assemblaggio, " ha detto Zandi. "In effetti, di recente sono state progettate piccole molecole che impediscono la replicazione di alcuni virus con meccanismi simili".

I virus non respirano, metabolizzare, o crescere. Ma si riproducono. Il virus più semplice ha un guscio di 60 subunità proteiche. Tre proteine ​​subunità asimmetriche occupano ciascuna faccia triangolare, e tutte le 60 subunità sono equivalenti tra loro. Per virus complessi, il numero di subunità è un multiplo di 60.

Lo studio è stato finanziato da una sovvenzione della National Science Foundation. Zandi è stato affiancato nella ricerca da Siyu Li dell'UCR; la virologa Polly Roy della London School of Hygiene and Tropical Medicine, Regno Unito; e Alex Travesset della Iowa State University. Li, uno studente laureato nel laboratorio di Zandi, è il primo autore del documento di ricerca.