محققان آکسفورد کشف کردند که ویروس‌ها چگونه بدون نقشه ساختمانی ساخته می‌شوند

درک اینکه ویروس‌ها چگونه پوسته پروتئینی محافظ خود را می‌سازند و چگونه می‌توان این ساختار را مختل کرد، می‌تواند منجر به داروهای ضد ویروسی جدید، واکسن‌های بهبود یافته و سایر درمان‌های پزشکی شود. این کشف به توضیح اینکه چگونه پروتئین‌های منفرد به طور مداوم خود را به ساختارهای صحیح سازماندهی می‌کنند، با وجود هزاران روش احتمالی برای اتصال، کمک می‌کند.

محققان دریافتند که مونتاژ ویروسی شبیه پیمایش یک هزارتوی پیچیده است که در آن تنها مسیرهای خاصی به پیشرفت پایدار منجر می‌شوند. در ابتدا، اجزای پروتئینی اتصالات ضعیفی را تشکیل می‌دهند که اگر این ترتیب موفقیت‌آمیز نباشد، به راحتی از هم جدا می‌شوند. این انعطاف‌پذیری به مولکول‌ها اجازه می‌دهد تا به طور مداوم ترکیب‌های مختلف را امتحان کنند تا ساختارهای بسته خاصی را تشکیل دهند. هنگامی که چندین اتصال این ساختارها را به هم متصل می‌کند، به طور قابل توجهی پایدارتر می‌شوند.

این آرایش‌های پایدار به عنوان نقاط بازرسی مولکولی عمل می‌کنند و تعداد زیادی از مسیرهای مونتاژ ممکن را به مجموعه کوچکتری از مسیرهای موفقیت‌آمیز کاهش می‌دهند. یک نقطه عطف مهم به ویژه زمانی رخ می‌دهد که پنج بلوک پروتئینی بزرگتر به هم متصل می‌شوند و یک حلقه پنج‌ضلعی بسته را تشکیل می‌دهند. این اولین ساختار بسیار پایدار در فرآیند مونتاژ است. هنگامی که این ساختار شکل می‌گیرد، هر مرحله پایدار بعدی به بلوک‌های ساختمانی کمتری نیاز دارد و به ذرات اجازه می‌دهد تا سریع‌تر رشد کنند.

نویسنده همکار، دکتر روی آسور (بخش شیمی و موسسه کشف نانوساینس کاولی، دانشگاه آکسفورد) توضیح داد: «یک ویروس باید یک مشکل ساختمانی خارق‌العاده را حل کند. اجزای آن به نحوی باید آرایش صحیح را در میان تعداد زیادی از احتمالات پیدا کنند، بدون هیچ نقشه یا ماشینی که فرآیند را هدایت کند. اکنون می‌توانیم تماشا کنیم که چه اتفاقی می‌افتد، مولکول به مولکول، و قوانین فیزیکی را که آن را ممکن می‌سازد، ببینیم.»

تماشای مونتاژ مولکولی ذرات ویروسی

ویروس‌ها مواد ژنتیکی خود را در پوسته پروتئینی سازمان‌یافته‌ای به نام کپسید ذخیره و محافظت می‌کنند. بسته به ویروس، این پوسته ممکن است از ده‌ها یا حتی هزاران جزء پروتئینی منفرد تشکیل شود. به طور شگفت‌انگیز، در بسیاری از موارد، پروتئین‌ها می‌توانند خود را به ساختار صحیح سازماندهی کنند بدون اینکه هیچ ماشین خارجی مونتاژ آنها را هدایت کند.

اگرچه دانشمندان برای دهه‌ها مونتاژ خودی ویروس‌ها را بررسی کرده‌اند، اما ثبت فرآیند در حین وقوع یک چالش بزرگ بوده است. بسیاری از ساختارهای میانی فقط به طور خلاصه وجود دارند و به تعداد بسیار کمی ظاهر می‌شوند. در نتیجه، روش‌های سنتی به طور کلی به محققان اجازه داده‌اند تا مواد اولیه و ذرات نهایی را بررسی کنند بدون اینکه به وضوح نشان دهند چگونه یکی به دیگری تبدیل می‌شود.

برای غلبه بر این محدودیت، محققان آکسفورد یک ذره شبیه ویروس مهندسی شده متشکل از 60 واحد پروتئینی را مطالعه کردند. آنها از فوتومتری جرمی استفاده کردند، تکنیکی که در آکسفورد توسعه یافته است و جرم مولکول‌های منفرد را با اندازه‌گیری نوری که پراکنده می‌کنند، تعیین می‌کند. با ترکیب این فناوری با رویکرد جدیدی برای حفظ مولکول‌های منفرد در حالت محدود و به طور مداوم قابل مشاهده، این تیم می‌توانست به طور مکرر جرم یک ذره در حال رشد را با اتصال پروتئین‌های اضافی اندازه‌گیری کند.

این رویکرد به دانشمندان اجازه داد تا فرآیند ساخت و ساز را همانطور که اتفاق می‌افتاد، دنبال کنند، در واقع افزودن بلوک‌های ساختمانی مولکولی را در طول زمان ردیابی کنند.

نویسنده همکار، دانشجوی دکتری دان لوئنتال (بخش شیمی و موسسه کشف نانوساینس کاولی، دانشگاه آکسفورد) گفت: «این روش به ما اجازه می‌دهد تا فرآیند مونتاژ را به طور مستقیم مطالعه کنیم، ما فقط یک فیلم می‌گیریم!»

نویسنده همکار، پروفسور فیلیپ کوکورا (بخش شیمی و موسسه کشف نانوساینس کاولی، دانشگاه آکسفورد) گفت: «تا به امروز، بسیاری از درک ما از نحوه مونتاژ این ساختارها باید از عکس‌های فوری یا مدل‌های نظری بازسازی شود. توانایی کمی‌سازی تعاملات زیربنایی و دنبال کردن یک ذره در حین رشد، همه چیز را تغییر می‌دهد. ما می‌توانیم ساختارهای میانی مهم را ببینیم و یک مدل دقیق از فرآیند ساخت و ساز را استنباط کنیم.»

نکته ظریف که مونتاژ ویروسی را ممکن می‌سازد

نتایج به توضیح اینکه چگونه فرآیندی که شامل تعداد بسیار زیادی از آرایش‌های مولکولی ممکن است به طور مداوم ساختار صحیح را تولید می‌کند، کمک می‌کند. به جای کاوش در هر مسیر ممکن، پروتئین‌ها از طریق تعدادی نسبتاً کم از مراحل پایدار میانی که مونتاژ را به سمت تکمیل هدایت می‌کنند، پیشرفت می‌کنند.

یافته‌ها همچنین نشان می‌دهد که چرا مرحله اولیه ساخت و ساز، که به آن هسته‌زایی می‌گویند، به ویژه دشوار است و چرا رشد پس از ظاهر شدن اولین ساختار پایدار به طور قابل توجهی سریع‌تر می‌شود.

بخشی کلیدی از این کارایی، توانایی بلوک‌های ساختمانی پروتئینی برای اشتباه کردن بدون مختل کردن دائمی فرآیند است. اتصالات اولیه ضعیف به ترکیبات نادرست اجازه می‌دهند تا جدا شوند و به پروتئین‌ها فرصت دیگری برای یافتن آرایش بهتری بدهند. هنگامی که تعداد کافی از اجزا در پیکربندی بسته صحیح به هم متصل می‌شوند، ساختار حاصل به اندازه کافی پایدار می‌شود تا رشد بیشتری را پشتیبانی کند.

دکتر آسور افزود: «تعاملات ضعیف به سیستم اجازه می‌دهد تا اشتباه کند. بیشتر مواجهات نیازی به موفقیت‌آمیز بودن ندارند: اجزا می‌توانند جدا شوند و دوباره تلاش کنند. اما هنگامی که تعداد کافی از آنها به هم در آرایش بسته صحیح متصل شوند، ساختار پایدار می‌شود و مونتاژ می‌تواند به جلو حرکت کند. این ترکیب از آزمون و خطا و سپس قفل کردن ساختارهای موفقیت‌آمیز است که فرآیند را بسیار قابل اعتماد می‌کند.»

امکانات جدید برای داروهای ضد ویروسی و واکسن‌ها

با شناسایی تعاملات مولکولی که مونتاژ ویروسی را کنترل می‌کنند، دانشمندان ممکن است در نهایت بتوانند درمان‌هایی را توسعه دهند که با ساختار پوسته پروتئینی ویروسی تداخل دارند. این بینش‌ها همچنین می‌تواند از تلاش‌ها برای مهندسی ذرات شبیه ویروس برای واکسن‌ها و سایر کاربردهای درمانی پشتیبانی کند.

نویسنده همکار، دکتر جک تان (موسسه پزشکی مولکولی واترال MRC و موسسه آکسفورد CAMS) خاطرنشان کرد: «توانایی درک این فرآیندها در سطح مولکولی می‌تواند کاربردهای مهمی در توسعه واکسن و داروهای ضد ویروسی که مونتاژ ویروسی را مختل می‌کنند، داشته باشد.»

این پیامدهای فراتر از ویروس‌ها است. مونتاژ خودی در سراسر زیست‌شناسی ضروری است و به ایجاد همه چیز، از اسکلت‌های داخلی سلول‌ها گرفته تا محوطه‌های مولکولی تخصصی و کمپلکس‌های پروتئینی بزرگ کمک می‌کند.

با امکان دادن برای مشاهده این فرآیندهای ساخت و ساز پیچیده یک مولکول در یک زمان، رویکرد تیم آکسفورد به محققان روشی قدرتمند برای بررسی چگونگی ظهور ساختارهای بیولوژیکی پیچیده از تعاملات نسبتاً ساده ارائه می‌دهد.