Simulationen, wie ein Virus sein genetisches Material verpackt, könnten beim Design von Nanocontainern helfen, die bei der Arzneimittelabgabe verwendet werden

Jedes einfache RNA-Virus hat ein Genom, seine „native RNA“. Dieses Genom bestimmt, wie sich das Virus in Zellen repliziert, um schließlich Krankheiten zu verursachen. Das Genom enthält auch den Code für die Herstellung eines Kapsids, der Proteinhülle eines Virus, das das Genom einkapselt und es wie ein Nanocontainer schützt.

Ein Team unter der Leitung von Roya Zandi, Professorin für Physik und Astronomie an der University of California, Riverside, hat eine Theorie entwickelt und eine Reihe von Simulationen durchgeführt, die helfen könnten zu erklären, wie ein Virus sein natives Genom findet und wie sich Kapside darum bilden und nicht um andere RNAs in der Zelle.

„Ein besseres Verständnis der Bildung von Kapsiden ist für Materialwissenschaftler von entscheidender Bedeutung und ein entscheidender Schritt beim Design von technisch hergestellten Nanoschalen, die als Vehikel für die Abgabe von Medikamenten an bestimmte Ziele im Körper dienen könnten“, sagte Zandi.

Die Arbeit der Forscher, veröffentlicht in ACS-Nanozeigt, dass das Zusammenspiel der mechanischen Eigenschaften von Proteinen, der Größe des Genoms und der Stärke der Wechselwirkung zwischen Genom und Kapsidproteinen die Symmetrie, Struktur und Stabilität des Kapsids signifikant verändern kann.

Wenn ein Virus in eine Zelle eindringt, bricht das Kapsid auf, um das Genom freizusetzen, das dann die Reproduktionsmaschinerie der Zelle zur Replikation nutzt. Die neu gebildeten Genome beginnen, ihre Kapside zu erwerben, ein Prozess, der hauptsächlich durch die anziehende elektrostatische Wechselwirkung zwischen den positiven Ladungen auf Kapsidproteinen und den negativen Ladungen auf den Genome angetrieben wird. Aber wie das Virus seine native RNA in der überfüllten Umgebung eines Zytoplasmas einer Wirtszelle in Gegenwart vieler nichtviraler RNA und anderer Polymere auswählt und verpackt, ist ein Rätsel geblieben.

Die von Zandis Team durchgeführten Simulationen zeigen, dass Kapsidproteine ​​theoretisch jedes nichtvirale Genom zum Einkapseln auswählen könnten. Aber das virale Genom, sagte sie, ist am besten dafür geeignet, dass Kapsidproteine ​​aufgrund eines Zusammenspiels von Energien auf molekularer Ebene eine Hülle um sie herum bilden.

„Die Stressverteilung der Kapsidproteine ​​ist geringer, wenn die Kapside ihr eigenes Genom einkapseln, für das sie kodiert wurden“, sagte Zandi. „Die Energie des Gesamtsystems ist geringer. Während kleinere nichtvirale RNAs in der Zelle reichlich vorhanden sind, neigen die Kapsidproteine ​​dazu, eine Hülle um eine virale RNA zu bilden, weil die entstehende fußballähnliche Hülle eine geringere Spannungsverteilung aufweist.“

Zandi sagte, die Arbeit lege einen systematischen Vergleich von Theorie und Experimenten dar, der ein besseres Verständnis der Rolle der RNA im Weg, der Stabilität und Struktur des Kapsidaufbaus ermöglichen werde.

„Ein tieferes Verständnis der Rolle des Genoms bei den Mechanismen des Virusaufbaus könnte zu Designprinzipien für alternative Virostatika führen“, sagte sie.

Die neue Arbeit ist ein früher Schritt zum Verständnis der viralen Assemblierung. Der Prozess ist nicht gut verstanden, da Viren in Nanometern messen und der Zusammenbau in Millisekunden erfolgt.

„Theoretische Arbeit und Simulationen sind notwendig, um zu verstehen, wie ein Virus wächst“, sagte Zandi.

Zandi wurde von der Doktorandin Sanaz Panahandeh an der UCR in die Forschung aufgenommen; Siyu Li am Songshan Lake Materials Laboratory in China; und Bogdan Dragnea von der Indiana University, Bloomington. Li ist ein ehemaliger Doktorand an der UCR.