Por primera vez, los investigadores han capturado imágenes de la formación de virus individuales, ofreciendo una visión en tiempo real de la cinética del ensamblaje viral. La investigación proporciona nuevas ideas sobre cómo combatir los virus y diseñar partículas de autoensamblaje.
“La biología estructural ha sido capaz de resolver la estructura de los virus con una resolución sorprendente, hasta cada átomo en cada proteína”, dijo Vinothan Manoharan, profesor de ingeniería química de la familia Wagner y profesor de física en la Escuela de Ingeniería John A. Paulson de Harvard. y Ciencias Aplicadas. “Pero aún no sabíamos cómo se ensambla esa estructura. Nuestra técnica ofrece la primera ventana sobre cómo se ensamblan los virus y revela la cinética y las vías en detalle cuantitativo”.
Manoharan y su equipo se centraron en los virus de ARN monocatenarios, el tipo de virus más abundante en el planeta. En humanos, los virus ARN son responsables, entre otros, de la fiebre del Nilo Occidental, la gastroenteritis, la poliomielitis, el resfriado común y la enfermedad de manos, pies y boca.
Estos virus tienden a ser muy simples. El virus que estudiaron Manoharan y su equipo, que infecta la bacteria E. coli, tiene unos 30 nanómetros de diámetro y tiene una pieza de ARN, con aproximadamente 3.600 nucleótidos y 180 proteínas idénticas. Las proteínas se organizan en hexágonos y pentágonos para formar una estructura similar a una pelota de fútbol alrededor del ARN, llamada cápside.
Cómo esas proteínas logran formar esa estructura es la pregunta central en el ensamblaje de virus. Hasta ahora, nadie había podido observar el ensamblaje viral en tiempo real porque los virus y sus componentes son muy pequeños y sus interacciones son muy débiles.
Para observar los virus, los investigadores utilizaron una técnica óptica conocida como microscopía de dispersión interferométrica, en la cual la luz dispersada de un objeto crea una mancha oscura en un campo de luz más grande. La técnica no revela la estructura del virus, pero sí revela su tamaño y cómo eso cambia con el tiempo.
Los investigadores unieron hebras de ARN virales a un sustrato, como los tallos de una flor, y fluyeron proteínas sobre la superficie. Luego, usando el microscopio interferométrico, observaron cómo aparecían manchas oscuras y se volvieron cada vez más oscuras hasta que tenían el tamaño de los virus adultos. Al registrar las intensidades de esos puntos de crecimiento, los investigadores pudieron determinar cuántas proteínas se unían a cada cadena de ARN con el tiempo.
“Una cosa que notamos de inmediato es que la intensidad de todos los puntos comenzó baja y luego se disparó a la intensidad de un virus completo”, dijo Manoharan. “Ese tiroteo ocurrió en diferentes momentos. Algunas cápsides se ensamblaron en menos de un minuto, algunas tomaron dos o tres y otras tomaron más de cinco. Pero una vez que comenzaron a ensamblarse, no retrocedieron. Crecieron y crecieron y luego terminaron”.
Los investigadores compararon estas observaciones con resultados anteriores de simulaciones, que predijeron dos tipos de vías de ensamblaje. En un tipo de vía, las proteínas se adhieren primero al ARN al azar y luego se reorganizan en una cápside. En el segundo, se debe formar una masa crítica de proteínas, llamada núcleo, antes de que la cápside pueda crecer.
Las manchas oscuras que se ven en el vídeo son virus individuales. Las manchas se oscurecen a medida que más y más proteínas se unen a la cadena de ARN. (Video del laboratorio Manoharan).
Los resultados experimentales coincidieron con la segunda vía y descartaron la primera. El núcleo se forma en diferentes momentos para diferentes virus, pero una vez que lo hace, el virus crece rápidamente y no se detiene hasta que alcanza su tamaño correcto.
Los investigadores también notaron que los virus tendían a desarmarse más a menudo cuando fluían más proteínas sobre el sustrato.
“Los virus que se ensamblan de esta manera tienen que equilibrar la formación de núcleos con el crecimiento de la cápside. Si los núcleos se forman demasiado rápido, las cápsides completas no pueden crecer. Esa observación podría darnos algunas ideas sobre cómo descarrilar el ensamblaje de virus patógenos”, dijo Manoharan.
La forma en que las proteínas individuales se unen para formar el núcleo sigue siendo una pregunta abierta, pero ahora que los experimentadores han identificado la vía, los investigadores pueden desarrollar nuevos modelos que exploren el ensamblaje dentro de ella. Esos modelos también pueden ser útiles para diseñar nanomateriales que se ensamblan.
“Este es un buen ejemplo de biología cuantitativa, ya que tenemos resultados experimentales que pueden ser descritos por un modelo matemático”, dijo Manoharan.
Mayor información en: Rees F. Garmann, Aaron M. Goldfain, and Vinothan N. Manoharan. «Measurements of the self-assembly kinetics of individual viral capsids around their RNA genome» National Academy of Sciences. Published: 30 September 2019.
Hay muchas opciones que me gustría escuchar sobre la nanotecnología para descomponer un virus en el preciso momento de su composición proteínica.