انتشار نخستين ويدئو از نحوه شكل‌گيري ويروس‌ها

پژوهش تازه‌ي دانشمندان دانشگاه هاروارد بينش جديدي را درمورد چگونگي مبارزه با ويروس‌ها و مهندسي ذراتي كه به‌طور خود‌به‌خود توليد مي‌شوند، فراهم مي‌كند. نتايج اين پژوهش در مجله‌ي Proceedings of the National Academy of Sciences منتشر شده است. وينوتان مانوهاران، استاد فيزيك و مهندسي شيمي دانشگاه هاروارد مي‌گويد:

زيست‌شناسي ساختاري توانسته است ساختار ويروس‌ها را با وضوع شگفت‌انگيز و تا سطح اتم‌هاي موجود در هر پروتئين نشان دهد. اما ما هنوز نمي‌دانستيم كه اين ساختار چگونه خود را توليد مي‌كند. تكنيك ما اطلاعاتي درمورد نحوه‌ي توليد ويروس‌ها فراهم كرده و مسيرها و فرايندهاي مرتبط با توليد ويروس را با جزئيات كمّي نشان مي‌دهد.

مانوهاران و همكارانش روي ويروس‌هاي داراي RNA تك‌رشته‌اي تمركز كردند. اين نوع ويروس‌ها، فراوان‌ترين نوع ويروس‌هاي روي زمين هستند. در انسان‌، RNA ويروس‌ها مسئول بيماري‌هايي مانند تب نيل غربي، گاستروآنتريت، بيماري دست، پا و دهان (HFMD)، فلج اطفال و سرماخوردگي معمولي هستند. اين ويروس‌ها بسيار ساده‌اند. ويروسي كه مانوهاران و همكارانش آن را مورد مطالعه قرار دادند و باكتري اي‌كولاي (اشريشيا كُلي) را آلوده مي‌كند، حدود ۳۰ نانومتر قطر دارد و داراي يك قطعه‌ي RNA حاوي حدود ۳۶۰۰ نوكلئوتيد و ۱۸۰ پروتئين يكسان است. پروتئين‌ها خود را در اشكال شش ضلعي و پنج ضلعي مرتب مي‌كنند و ساختاري مانند توپ فوتبال را در اطراف RNA تشكيل مي‌دهند كه كپسيد ناميده مي‌شود. چگونگي مديريت اين پروتئين‌ها براي ايجاد ساختار مذكور، پرسش اصلي در ارتباط با توليد ويروس بود.

لكه‌هاي تاريكي كه در ويدئو ديده مي‌شوند، ويروس‌هاي انفرادي هستند. هرچه پروتئين‌هاي بيشتري به رشته‌ي RNA متصل مي‌شود، لكه‌ها تيره‌تر مي‌شوند

تا اين زمان، هيچ‌كس نتوانسته بود كه توليد ويروس را در زمان واقعي ببيند زيرا ويروس‌ها و اجزاي تشكيل‌دهنده‌ي آن‌ها بسيار كوچك بوده و تعاملات آن‌ها بسيار ضعيف است. پژوهشگران براي مشاهده‌ي ويروس‌ها از تكنيك نوري iSCAT استفاده كردند كه در آن نوري كه از اطراف يك شيء پراكنده مي‌شود، نقطه‌ي سياهي را در ميدان بزرگ‌تري از نور ايجاد مي‌كند. اين تكنيك ساختار ويروس را نشان نمي‌دهد اما اندازه و تغيير آن را طي زمان نشان مي‌دهد.

چيزي كه ما سريعا متوجه شديم اين بود كه شدت رنگ لكه‌ها در آغاز كم بود ولي ناگهان لكه‌ها بسيار تيره‌تر شدند (تشكيل ويروس كامل). افزايش تيرگي ويروس‌ها در زمان‌هاي مختلفي رخ داد. برخي از كپسيدها در كمتر از يك دقيقه توليد شدند، برخي دو تا سه دقيقه زمان بردند و برخي بيش از پنج دقيقه. اما وقتي آن‌ها شروع به توليد كردند، به عقب برنمي‌گشتند. آن‌ها رشد مي‌كردند و درنهايت ويروس كامل تشكيل مي‌شد.

پژوهشگران اين مشاهدات را با نتايج گذشته‌ي حاصل از شبيه‌سازي‌ها كه در آن‌ها دو نوع مسير توليد پيش‌بيني شده بود، مقايسه كردند. در مسير پيش‌بيني‌شده‌ي اول، پروتئين‌ها ابتدا به‌صورت تصادفي به RNA مي‌چسبند و سپس خود را به شكل يك كپسيد مرتب مي‌كنند. در مسير دوم، يك توده‌ي بسيار مهم از پروتئين‌ها كه هسته ناميده مي‌شود، قبل از رشد كپسيد، بايد تشكيل شود. نتايج تجربي با مسير دوم مطابقت دارد و مورد اول را رد مي‌كند. هسته‌ي ويروس‌هاي مختلف در زمان‌هاي مختلفي تشكيل مي‌شود اما به‌محض تشكيل شدن، ويروس به‌سرعت رشد كرده و تا زماني‌كه به اندازه‌ي مناسب خود نرسد، رشدش را متوقف نمي‌كند.

پژوهشگران همچنين متوجه شدند كه وقتي پروتئين‌هاي بيشتري روي لايه جريان مي‌يافت، توليد ويروس‌ها با خطا مواجه مي‌شد. در واقع در اين روش از توليد ويروس‌ها، بايد بين تشكيل هسته و رشد كپسيد توازني برقرار باشد. مانوهاران مي‌گويد:

اگر هسته خيلي سريع تشكيل شود، كپسيد كامل نمي‌تواند رشد كند. اين مشاهده ممكن است به ما بينشي درمورد چگونگي ايجاد اختلال در فرايند توليد ويروس‌هاي بيماري‌زا بدهد.

اينكه پروتئين‌هاي انفرادي چگونه براي تشكيل هسته گرد هم مي‌آيند، مشخص نيست اما اكنون كه مسير مشخص شده است پژوهشگران مي‌توانند مدل‌هاي جديدي را توسعه دهند و توليد را در آن مسير مورد مطالعه قرار دهند. اين مدل‌ها همچنين ممكن است براي طراحي نانوموادي كه خود را توليد مي‌كنند، مفيد باشند. مانوهاران مي‌گويد:

اين مثال خوبي از زيست‌شناسي كمّي است كه در آن ما نتايج تجربي داريم كه مي‌توانند با مدل‌هاي رياضي توصيف شوند.