Il ciclo riproduttivo dei virus richiede l'autoassemblaggio, maturazione delle particelle virali e, dopo l'infezione, il rilascio di materiale genetico in una cellula ospite. Le nuove tecnologie basate sulla fisica consentono agli scienziati di studiare le dinamiche di questo ciclo e potrebbero eventualmente portare a nuovi trattamenti. Nel suo ruolo di virologo fisico, Wouter Roos, un fisico presso l'Università di Groningen, insieme a due colleghi di lunga data, ha scritto un articolo di revisione su queste nuove tecnologie, che è stato pubblicato in Natura Recensioni Fisica il 12 gennaio.

"La fisica è stata usata per molto tempo per studiare i virus, " afferma Roos. "Le leggi della fisica governano eventi importanti nel loro ciclo riproduttivo". risoluzione temporale. "Queste nuove tecnologie ci permettono di vedere le dinamiche dei virus, " aggiunge Ros.

Energia

Nel 2010, ha pubblicato per la prima volta un articolo di revisione sugli aspetti fisici della virologia con due suoi colleghi. "Allora, quasi tutta la ricerca sui virus è stata relativamente statica, per esempio esercitando una pressione su una particella virale per vedere come ha risposto." A quel tempo, studi sui processi dinamici, come l'autoassemblaggio, sono stati eseguiti in blocco, senza la possibilità di ingrandire le singole particelle. "Questo è cambiato negli ultimi due anni e quindi, abbiamo pensato che fosse giunto il momento per un'altra revisione." Questo documento, "Fisica della dinamica virale, " è stato co-autore di Robijn Bruinsma dell'Università della California a Los Angeles (USA) e Gijs Wuite della VU Amsterdam (Paesi Bassi).

I virus dirottano le cellule e le costringono a creare i mattoni proteici per nuove particelle virali e a copiare il loro materiale genetico (RNA o DNA). Ciò si traduce in una zuppa cellulare piena di parti di virus, che si autoassemblano per produrre particelle di RNA o DNA incapsulati. "Non è necessaria alcuna energia esterna per questo processo. E anche in vitro, la maggior parte dei virus si autoassembla rapidamente." Questo processo è stato tradizionalmente studiato in materiale sfuso, mediare il comportamento di un gran numero di particelle virali. "Così, non avevamo idea della varianza nell'assemblaggio delle singole particelle."

Scansioni in meno di un secondo

Negli ultimi anni, sono state sviluppate tecnologie per studiare queste singole particelle in tempo reale. Uno di questi è la microscopia a forza atomica veloce (AFM). Un microscopio a forza atomica scansiona le superfici con una punta delle dimensioni di un atomo ed è quindi in grado di mappare la loro topologia. "Recentemente, la velocità di scansione dell'AFM è aumentata notevolmente e ora possiamo eseguire scansioni inferiori al secondo di superfici che misurano meno di 1 micrometro quadrato utilizzando l'AFM ad alta velocità, "dice Roos, chi usa lui stesso un AFM. "Questo ci permette di vedere come le subunità del virus si assemblano su una superficie. È un processo molto dinamico, con blocchi di costruzione che si attaccano e si rilasciano."

La fluorescenza a singola molecola viene utilizzata anche per studiare virus, Per esempio, l'attaccamento delle proteine ​​virali al DNA. "Utilizzando pinzette ottiche, teniamo due minuscole perline su entrambe le estremità di una molecola di DNA. Quando le proteine ​​virali si legano al DNA, questo si arrotolerà e avvicinerà le due perline. Questo viene visualizzato da marcatori fluorescenti attaccati alle perline." In alternativa, proteine ​​con marcatori fluorescenti possono essere osservate mentre si attaccano al DNA virale o ad altre proteine. Una terza tecnologia consiste nell'utilizzare un microscopio ottico per misurare l'interferenza della luce diffusa dalle particelle virali. Questi modelli rivelano la struttura delle particelle durante l'assemblaggio.

Rafforzare

Possono essere studiati anche altri passaggi nel ciclo del virus. "Dopo che si sono autoassemblati, le particelle devono indurirsi per resistere a condizioni esterne alla cellula ospite, " dice Roos. Si verificano anche altre modifiche, che preparano le particelle a infettare altre cellule. Le dinamiche di questo processo di maturazione sono importanti per la nostra comprensione di come funzionano i virus. "E dopo aver infettato nuove cellule, la particella del virus deve separarsi per rilasciare il suo materiale genetico."

La nuova tecnologia sta ora rivelando le dinamiche fisiche dei virus. Consente a scienziati come Roos e i suoi colleghi di studiare come viene incorporato il materiale genetico e quali principi fisici guidano questo processo. La maggior parte dei farmaci antivirali interrompe i primi passi nell'infezione, come il legame delle particelle virali alle loro cellule ospiti. Utilizzando queste nuove informazioni dinamiche, potremmo sviluppare farmaci che bloccano l'autoassemblaggio o altre importanti fasi del ciclo riproduttivo del virus.

Nanotecnologia

La comprensione della fisica delle particelle virali è importante anche per il loro uso nella ricerca, ad esempio come elementi costitutivi nella nanotecnologia o come vettori di antigeni nei vaccini. Molti dei principali vaccini COVID-19 utilizzano gli adenovirus per fornire il gene per la proteina spike SARS-CoV-2 alle cellule, che poi esprimono questo gene e di conseguenza generano una risposta immunitaria. "Capire come l'adenovirus si unisce e si sfalda potrebbe aiutare a creare vaccini più stabili".