Vuoi creare un virus? È facile:combinare una molecola di acido nucleico genomico, DNA o RNA, e una manciata di proteine, scuotere, e in una frazione di secondo avrai un virus completamente formato.

Anche se può sembrare il peggior spot pubblicitario di sempre, in molti casi creare un virus è davvero così semplice. Virus come l'influenza si diffondono in modo così efficace, e di conseguenza possono essere così mortali per i loro ospiti, a causa della loro capacità di autoassemblarsi spontaneamente in grandi numeri.

Se i ricercatori possono capire come si assemblano i virus, potrebbero essere in grado di progettare farmaci che in primo luogo prevengano la formazione di virus. Sfortunatamente, come esattamente i virus si autoassemblano è rimasto a lungo un mistero perché accade molto rapidamente e su scale di lunghezza così piccole.

Ora, esiste un sistema per tracciare virus di dimensioni nanometriche su scale temporali inferiori al millisecondo. Il metodo, sviluppato dai ricercatori della Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS), è il primo passo verso il monitoraggio ad alta velocità di singole proteine ​​e molecole genomiche mentre si assemblano per creare un virus.

La ricerca è stata guidata da Vinothan Manoharan, la Famiglia Wagner Professore di Ingegneria Chimica e Professore di Fisica, ed è stato pubblicato di recente in ACS Nano . Il gruppo di Manoharan ha lavorato in collaborazione con i ricercatori dell'Università di Leiden, MIT, l'Istituto Leibniz di tecnologia fotonica, l'Università di Jena, ed Heraeus Quarzglas, un produttore di fibre ottiche.

"Il nostro obiettivo è capire come i virus riescono ad assemblarsi spontaneamente, così veloce e così robusto, " disse Yoav Lahini, ricerca associata, ex Pappalardo Fellow al MIT, e co-primo autore dello studio.

L'identificazione di fasi intermedie critiche nel processo di assemblaggio potrebbe aiutare i ricercatori a capire come interferire con questo processo, ha detto Lahini. Fare luce sulla fisica dell'autoassemblaggio potrebbe anche aiutare gli ingegneri a progettare nanomateriali sintetici migliori che possano assemblarsi spontaneamente.

Ci sono due sfide principali per il monitoraggio dell'assemblaggio dei virus:velocità e dimensioni. Mentre la microscopia a fluorescenza può rilevare singole proteine, il composto chimico fluorescente che emette fotoni lo fa a una velocità troppo lenta per catturare il processo di assemblaggio. È come cercare di osservare il meccanismo del battito d'ala di un colibrì con una telecamera stop-motion; cattura parti del processo ma mancano i frame cruciali.

Particelle molto piccole, come le proteine ​​del capside, possono essere osservati da come diffondono la luce. Questa tecnica, noto come diffusione elastica, emette un numero illimitato di fotoni alla volta, risolvere il problema della velocità. Però, i fotoni interagiscono anche con le particelle di polvere, luce riflessa, e imperfezioni nel percorso ottico, tutto ciò oscura le piccole particelle che vengono tracciate.

Per risolvere questi problemi, il team ha deciso di sfruttare l'eccezionale qualità delle fibre ottiche, perfezionato in anni di ricerca nel settore delle telecomunicazioni. Hanno progettato una nuova fibra ottica con un canale su nanoscala, minore della lunghezza d'onda della luce, che corre lungo l'interno del suo nucleo di silice. Questo canale è riempito con un liquido contenente nanoparticelle, in modo che quando la luce viene guidata attraverso il nucleo della fibra, disperde le nanoparticelle nel canale e viene raccolto da un microscopio sopra la fibra.

I ricercatori hanno osservato il movimento di virus che misurano 26 nanometri di diametro a una velocità di migliaia di misurazioni al secondo.

"Questi sono i virus più piccoli da monitorare su scale temporali inferiori al millisecondo, che sono paragonabili ai tempi per l'autoassemblaggio." ha detto Rees Garmann, borsista post-dottorato nel laboratorio Manoharan e coautore della ricerca.

Il prossimo passo è tracciare non solo i singoli virus ma le singole proteine ​​virali, che disperdono 100 a 1, 000 volte meno luce di un singolo virus.

"Questa ricerca è un passo avanti nell'osservazione e misurazione dell'autoassemblaggio dei virus, " ha detto Manoharan. "L'infezione virale coinvolge molti percorsi molecolari e cellulari complessi, ma l'autoassemblaggio è un processo che si trova in molti virus diversi. Questa semplice tecnologia, che costa poco, facile e scalabile, potrebbe fornire un nuovo, modo conveniente per studiare e diagnosticare i virus. Dal punto di vista della fisica fondamentale, comprendere l'autoassemblaggio di un sistema evoluto naturalmente sarebbe una pietra miliare nello studio dei sistemi complessi."