Un team di ricercatori, tra cui la facoltà di ingegneria della Northwestern, ha ampliato la comprensione di come i gusci dei virus si autoassemblano, un passo importante verso lo sviluppo di tecniche che utilizzano i virus come veicoli per fornire farmaci e terapie mirate in tutto il corpo.

Eseguendo sostituzioni multiple di amminoacidi, i ricercatori hanno scoperto casi di epistasi, un fenomeno in cui due cambiamenti producono un comportamento diverso dal comportamento che ogni cambiamento provoca individualmente.

"Abbiamo riscontrato casi in cui due cambiamenti separati di singoli amminoacidi hanno causato la rottura o l'instabilità del guscio del virus, ma apportare entrambe le modifiche insieme ha prodotto una struttura stabile che ha funzionato meglio che mai, " ha detto Danielle Tullman-Ercek, professore associato di ingegneria chimica e biologica presso la McCormick School of Engineering.

Il documento intitolato "Valutazione sperimentale della coevoluzione in una particella autoassemblante, " è stato pubblicato il numero cartaceo del 19 marzo di Biochimica . Tullman-Ercek è stato l'autore corrispondente del giornale insieme al collaboratore Matthew Francis, professore di chimica all'Università della California a Berkeley.

Il lavoro si basa su ricerche passate in cui Tullman-Ercek e collaboratori hanno sviluppato una nuova tecnica, chiamato SyMAPS (mutazione sistematica e selezione di particelle assemblate), per testare le variazioni di una proteina utilizzata da un virus batterico chiamato batteriofago MS2. Sostituendo gli amminoacidi uno alla volta lungo la catena proteica MS2, il team potrebbe studiare come l'impalcatura del virus è stata influenzata dalle diverse combinazioni, compresi i cambiamenti che hanno preservato la struttura del guscio o l'hanno spezzata.

L'ultima ricerca si basa sui progressi del team utilizzando SyMAPS per analizzare più cambiamenti di aminoacidi all'interno della particella MS2, un requisito per manipolare efficacemente le shell dei virus in futuro, disse Tullman-Ercek. I ricercatori hanno studiato ogni doppia combinazione di amminoacidi lungo un ciclo polipeptidico situato all'interno dell'impalcatura MS2 e hanno misurato il modo in cui l'impalcatura del virus è stata colpita.

Un fattore che produceva l'epistasi era il bilanciamento delle cariche di aminoacidi che erano state sostituite, disse Tullman-Ercek, un membro del Centro di biologia sintetica della Northwestern. Scambiando due amminoacidi carichi positivamente, ad esempio, fece sì che la particella si respingesse e si rompesse, ma bilanciare un singolo cambiamento positivo di aminoacidi con una carica negativa separata ha compensato il cambiamento e ha preservato la stabilità.

"Sembrava un effetto imprevedibile, ma se si osservano le tendenze complessive dei dati, abbiamo imparato che la carica è davvero importante per mantenere l'equilibrio, " Ha detto Tullman-Ercek. "Non abbiamo potuto vedere che in base ai dati che abbiamo accumulato con le singole modifiche, ma abbiamo continuato a tornare su questo problema di bilanciamento della carica."

Il team prevede di espandere i test per determinare se i comportamenti rilevati nella particella MS2 si applicano a virus simili.

"Ci vogliono anni per ottimizzare ogni componente di un'impalcatura di virus, " Ha detto Tullman-Ercek. "Stiamo cercando di ridurre il tempo necessario per ottimizzare il veicolo di consegna imparando le regole di come si assembla in modo da poterne costruire uno da zero".

A seconda del suo scopo o destinazione finale nel corpo, scaffold di virus richiedono proprietà di progettazione uniche. Un virus distribuito al cervello per curare un tumore, Per esempio, potrebbe richiedere una maggiore stabilità nella sua forma rispetto a quella inviata ai polmoni. Quanto più generali sono le regole che disciplinano la progettazione, la maggiore varietà di particelle può essere costruita e dispiegata in futuro.

"Se dobbiamo ottimizzare il veicolo di consegna per ogni singolo caso, ci vorranno decenni per fare progressi, quindi capire le regole sottostanti è importante, " ha detto. "È un progetto scientifico fondamentale, ma ha il potenziale per avere un impatto reale sulla progettazione di molte terapie future".

Le intuizioni hanno anche spinto il team a chiedersi come la loro strategia possa essere abbinata a ciò che è già noto e sconosciuto sull'evoluzione.

"In evoluzione, i cambiamenti si costruiscono l'uno sull'altro uno alla volta, " Disse Tullman-Ercek. "Stiamo apportando queste modifiche deliberatamente nel nostro laboratorio, il che fa domandare come la natura raggiunga questi stati epistatici con combinazioni che da sole produrrebbero risultati negativi. Vogliamo costruire questo per la consegna dei farmaci, ma i risultati sollevano domande interessanti su come i cambiamenti siano ottimizzati in natura per cominciare."