Un virus, el objeto físico más simple en biología, consta de una capa de proteína llamada cápside, que protege su genoma de ácido nucleico:ARN o ADN. La cápside puede ser de forma cilíndrica o cónica, pero más comúnmente asume una estructura icosaédrica, como un balón de fútbol.

La formación de la cápside es uno de los pasos más cruciales en el proceso de infección viral. Si el virus es pequeño, la cápside se forma espontáneamente. Virus esféricos más grandes, sin embargo, como el virus del herpes simple o el virus de la bursitis infecciosa, necesitan la ayuda de "proteínas de andamiaje producidas naturalmente, "que sirven como una plantilla que guía la formación de la cápside. No se comprende bien cómo estos grandes caparazones virales se ensamblan en estructuras altamente simétricas.

Un equipo de físicos y un virólogo, dirigido por un científico de la Universidad de California, Orilla, ha publicado un trabajo de investigación en el procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias explicando cómo se forman las grandes capas de virus. Su trabajo también se puede utilizar para explicar cómo se forman los grandes cristales esféricos en la naturaleza.

Esta comprensión puede ayudar a los investigadores a interrumpir la formación de virus, contener la propagación de enfermedades virales.

Basándose en una teoría llamada teoría de la elasticidad continua, los investigadores estudiaron el crecimiento de cápsides esféricas grandes. Demostraron que la plantilla guía la formación de las subunidades de proteínas de la cápside, los bloques de construcción individuales de la cáscara, de una manera libre de errores y que da como resultado, por último, en un altamente simétrico, estructura icosaédrica estable.

"A medida que crece la estructura esférica, vemos pozos potenciales profundos, o afinidades, en ubicaciones matemáticamente especificadas que luego se convierten en los vértices de la estructura icosaédrica, "dijo Roya Zandi, profesor de en el Departamento de Física y Astronomía de la UCR, quien dirigió el proyecto de investigación. "En ausencia de esta plantilla proporcionada por las proteínas de andamiaje, las subunidades de proteínas a menudo se ensamblan en estructuras menos estables ".

El estudio incluye simulaciones por computadora y matemáticas complejas, específicamente, topología que es el estudio matemático de las propiedades de una figura geométrica o un sólido que no se modifican al estirar o doblar. Explica a un nivel fundamental qué papel juegan las propiedades mecánicas de los bloques de construcción y las proteínas de andamiaje en la formación de las cápsides. Para que las cápsides grandes asuman estructuras icosaédricas estables, las subunidades de proteínas deben tener propiedades físicas específicas. Más lejos, es necesaria una interacción entre las subunidades de proteínas y una plantilla, postulan los investigadores.

Un icosaedro es una estructura geométrica con 12 vértices, 20 caras, y 30 lados. Un balón de fútbol oficial es una especie de icosaedro, llamado icosaedro truncado; tiene 32 paneles cortados en forma de 20 hexágonos y 12 pentágonos. Tiene 60 vértices y 90 aristas. Los pentágonos están separados entre sí por hexágonos. Todas las estructuras icosaédricas, independientemente del tamaño, debe tener solo 12 pentágonos.

Zandi explicó un icosaedro invocando el problema de Thomson, que establece que las cargas puntuales colocadas en la superficie de una esfera unitaria minimizarán la energía total del sistema. Las soluciones al problema colocan cada carga puntual de tal manera que sus vecinos más cercanos estén lo más lejos posible.

"Si tienes un conductor esférico y le colocas 12 electrones, querrán estar lo más lejos posible el uno del otro, "Ella dijo." Terminan en los vértices de un icosaedro. Dado este conocimiento, cuando crece un caparazón de virus, luego, basado en la teoría de la elasticidad, necesitará al menos 12 puntos defectuosos, llamado disclinaciones. Imagínese si tuviera que envolver una hoja de papel alrededor de una esfera. Te verías obligado a doblar el papel en ciertos puntos para que adopte la forma esférica. Estos son puntos de disclinación, y no se pueden evitar. Si tuviera que hacer una cáscara esférica con triángulos pequeños, necesitarías hacer 12 pentágonos. Sin 12 pentágonos, una forma esférica no es posible ".

Zandi enfatizó que para atacar los virus de manera más efectiva se requiere una comprensión sólida de cómo se forman, que puede informar a los investigadores sobre mejores formas de interrumpir su formación y así contener la propagación de enfermedades virales.

"Cuando un virus es grande, ¿Cómo saben las subunidades de proteínas cómo organizarse para formar la capa más estable posible, una icosaédrica? ”, añadió.“ ¿Dónde debería aparecer la primera declinación? ¿Y el siguiente? ¿Cómo pueden miles de subunidades de proteínas unirse y formar estructuras icosaédricas con tanta precisión y simetría? ¿Y cuál es el papel de las proteínas de andamiaje? ¿Por qué no se pueden formar grandes conchas estables sin proteínas de andamiaje? Estas preguntas guiaron nuestra investigación ".

Zandi explicó que cada subunidad de proteína tiene una energía de flexión, lo que significa que una subunidad prefiere encontrarse con otra subunidad en un cierto ángulo. Para una pequeña estructura icosaédrica, este ángulo es pequeño y agudo. Pero para formar una gran estructura icosaédrica o cápside, este ángulo es grande y obtuso, y requiere la ayuda proporcionada por proteínas de andamiaje. Sin esta ayuda, las subunidades de proteínas formarían un tubo largo sin fin porque ese esfuerzo requiere menos energía.

"Demostramos ahora que esta tendencia se ve frustrada por las proteínas de andamiaje, que obligan a las subunidades de proteínas a doblarse ligeramente, abrocharse el cinturón y formar 12 pentágonos, que luego conduce a la formación de una estructura icosaédrica, ", Dijo Zandi." Nuestro estudio demuestra que sin este andamio, es imposible formar una gran capa icosaédrica altamente estable ".

Los virus son los mejores nanocontenedores, Dijo Zandi. Pueden usarse para administrar medicamentos a objetivos específicos en el cuerpo porque son especialmente hábiles para llegar a las células. Por ejemplo, se pueden hacer virus para transportar carga, como genomas y drogas, con fines terapéuticos para las células cancerosas.

"Los fármacos anti-ensamblaje pueden ser más eficientes que otros fármacos porque la aptitud viral es particularmente sensible a mutaciones en interfaces de ensamblaje específicas, "Zandi dijo." De hecho, Recientemente se han diseñado pequeñas moléculas que prohíben la replicación de ciertos virus mediante mecanismos similares ".

Los virus no respiran, metabolizar o crecer. Pero se reproducen. El virus más simple tiene una capa de 60 subunidades de proteínas. Tres proteínas de subunidades asimétricas ocupan cada cara triangular, y las 60 subunidades son equivalentes entre sí. Para virus complejos, el número de subunidades es un múltiplo de 60.

El estudio fue financiado por una subvención de la National Science Foundation. Zandi se unió a la investigación por Siyu Li de UCR; viróloga Polly Roy de la Escuela de Higiene y Medicina Tropical de Londres, Reino Unido; y Alex Travesset de la Universidad Estatal de Iowa. Li, un estudiante de posgrado en el laboratorio de Zandi, es el primer autor del artículo de investigación.