Хотя это может показаться худшим рекламным роликом, во многих случаях создать вирус действительно так просто. Такие вирусы, как грипп, распространяются так эффективно и, как следствие, могут быть смертельно опасными для своих хозяев из-за их способности спонтанно самоорганизовываться в больших количествах.Если исследователи смогут понять, как собираются вирусы, они смогут разработать лекарства, которые в первую очередь предотвращают образование вирусов. К сожалению, как именно собираются вирусы, долгое время оставалось загадкой, потому что это происходит очень быстро и при таких малых масштабах длины.
Теперь существует система для отслеживания вирусов нанометрового размера в субмиллисекундных временных масштабах. Метод, разработанный исследователями из Гарвардской школы инженерии и прикладных наук Джона А. Полсона (SEAS), является первым шагом к отслеживанию отдельных белков и геномных молекул на высоких скоростях, когда они собираются для создания вируса.Исследование, проведенное Винотаном Манохараном, профессором химического машиностроения и профессором физики семьи Вагнер, было недавно опубликовано в ACS Nano. Группа Манохарана работала в сотрудничестве с исследователями из Лейденского университета, Массачусетского технологического института, Лейбницкого института фотонных технологий, Йенского университета и Heraeus Quarzglas, производителя волоконной оптики.
«Наша цель — понять, как вирусы могут собираться спонтанно, так быстро и надежно», — сказал Йоав Лахини, научный сотрудник, бывший научный сотрудник Паппалардо в Массачусетском технологическом институте и соавтор исследования.По словам Лахини, определение критических промежуточных этапов в процессе сборки может помочь исследователям понять, как вмешиваться в этот процесс. Освещение физики самосборки также может помочь инженерам разработать более качественные синтетические наноматериалы, которые могут самопроизвольно собираться вместе.
Есть две основные проблемы при отслеживании сборки вирусов: скорость и размер. В то время как флуоресцентная микроскопия может обнаруживать отдельные белки, флуоресцентное химическое соединение, излучающее фотоны, делает это со слишком медленной скоростью, чтобы уловить процесс сборки. Это все равно, что пытаться наблюдать механику машущего крыла колибри с помощью покадровой камеры; он фиксирует части процесса, но отсутствуют ключевые кадры.Очень маленькие частицы, такие как белки капсида, можно наблюдать по тому, как они рассеивают свет.
Этот метод, известный как упругое рассеяние, излучает неограниченное количество фотонов за раз, решая проблему скорости. Однако фотоны также взаимодействуют с частицами пыли, отраженным светом и дефектами на оптическом пути, которые затемняют отслеживаемые мелкие частицы.Для решения этих проблем команда решила использовать превосходное качество оптических волокон, усовершенствованное за годы исследований в телекоммуникационной отрасли. Они разработали новое оптическое волокно с наноразмерным каналом размером меньше длины волны света, проходящим по внутренней стороне его кварцевого ядра.
Этот канал заполнен жидкостью, содержащей наночастицы, поэтому, когда свет проходит через сердцевину волокна, он рассеивается на наночастицах в канале и собирается микроскопом над волокном.Исследователи наблюдали движение вирусов диаметром 26 нанометров со скоростью тысячи измерений в секунду.«Это самые маленькие вирусы, которые можно отслеживать в субмиллисекундных временных масштабах, которые сопоставимы с временными масштабами самосборки». сказал Рис Гарманн, научный сотрудник лаборатории Манохарана и соавтор исследования.
Следующим шагом является отслеживание не только отдельных вирусов, но и отдельных вирусных белков, которые рассеивают в 100–1000 раз меньше света, чем один вирус.«Это исследование — шаг вперед в наблюдении и измерении самосборки вирусов», — сказал Манохаран. «Вирусная инфекция включает в себя множество сложных молекулярных и клеточных путей, но самосборка — это процесс, который присутствует во многих различных вирусах.
Эта простая технология, которая является дешевой, легкой и масштабируемой, может предоставить новый экономичный способ изучения и диагностики вирусы. С точки зрения фундаментальной физики понимание самосборки естественно возникшей системы было бы важной вехой в изучении сложных систем ».
