病毒很可怕。它们像无形的军队一样入侵我们的细胞，每种类型都有自己的攻击策略。当病毒摧毁人类和动物群落时，科学家争先恐后地进行反击。许多人利用电子显微镜，该工具可以“查看”病毒中各个分子的功能。然而，即使是最先进的技术，也需要将样品冷冻并固定以获得最高的分辨率。
现在，犹他大学的物理学家开创了一种在室温下以令人印象深刻的分辨率实时成像病毒样颗粒的方法。在一项新研究中，该方法揭示了形成人类免疫缺陷病毒(HIV)主要结构成分的晶格是动态的。由Gag和GagPol蛋白制成的扩散晶格的发现长期以来被认为是完全静态的，这为潜在的新疗法开辟了道路。
当HIV颗粒从受感染的细胞中发芽时，病毒会经历一段时间的滞后才能变得具有感染力。蛋白酶是一种半分子形式嵌入GagPol蛋白的酶，必须在称为二聚化的过程中与其他类似分子结合。这触发了病毒成熟，导致了感染性颗粒。没有人知道这半个蛋白酶分子是如何相互发现并二聚化的，但可能与Gag和GagPol蛋白恰好位于病毒包膜内部形成的晶格重排有关。gag是主要的结构蛋白，已被证明足以组装病毒样颗粒。堵嘴分子形成晶格六边形结构，该结构与自身缠绕在一起，并散布着微小的间隙。新方法表明Gag蛋白晶格不是静态的。
“通过使用传统上只能提供静态信息的显微镜技术，该方法领先一步。除了新的显微镜方法，我们还使用了数学模型和生化实验来验证晶格动力学。”第一作者，美国物理与天文学系研究生研究助理Ipsita Saha说。除了病毒之外，该方法的主要含义还在于您可以看到分子如何在细胞中移动。您可以以此来研究任何生物医学结构。
该论文于2020年6月26日发表在《生物物理杂志》上。
艺术家对Gag分子蛋白质的再现，这些蛋白质形成散布在病毒样颗粒中的点阵六边形结构。
科学家们最初并不是在寻找动态结构，他们只是想研究Gag蛋白晶格。萨哈(Saha)领导了为期两年的“黑客”显微镜技术研究工作，以便能够在室温下研究病毒颗粒以观察其在现实生活中的行为。病毒的规模很小-直径约为120纳米-因此，萨哈(Saha)使用了干涉光活化定位显微镜(iPALM)。
首先，萨哈(Saha)用称为Dendra2的荧光蛋白标记了Gag，并产生了所得Gag-Dendra2蛋白的病毒样颗粒。这些病毒样颗粒与HIV颗粒相同，但仅由Gag-Dendra2蛋白晶格结构组成。萨哈(Saha)表明，所得的Gag-Dendra2蛋白以与构成常规Gag蛋白的病毒样颗粒相同的方式组装病毒样颗粒。荧光附件使iPALM能够以10纳米的分辨率对颗粒成像。科学家发现，每个固定的病毒样颗粒均以六边形格子的形式结合了1400至2400个Gag-Dendra2蛋白。当他们使用iPALM数据重建晶格的延时图像时，似乎Gag-Dendra2的晶格在时间上不是静态的。为了确保这一点，他们以两种方式独立地对其进行了验证：
首先，他们将蛋白质晶格分成均匀的独立片段。使用相关分析，他们测试了每个片段在10到100秒的时间内如何与自身相关。如果每个片段继续与其自身相关，则蛋白质是固定的。如果它们失去相关性，则蛋白质已经扩散。他们发现，随着时间的流逝，这些蛋白质非常活跃。
他们验证动态晶格的第二种方法是生物化学方法。在此实验中，他们创建了病毒样颗粒，其晶格由80%的Gag野生型蛋白，10%的SNAP标签的Gag和10%的Halo标签的gag组成。SNAP和Halo是可以结合接头的蛋白质，可以永久地将它们结合在一起。想法是确定蛋白质晶格中的分子是否保持静止，或者是否迁移位置。
Gag蛋白质会随机组装。SNAP和Halo分子可能位于晶格内的任何位置，有些可能彼此接近，有些则相距很远。 Saha说。“如果晶格发生变化，那么分子就有可能彼此靠近。”
萨哈(Saha)将一种名为Haxs8的分子引入病毒样颗粒中。Haxs8是二聚体-一种分子，当它们在彼此的结合半径之内时，它们共价结合SNAP和Halo蛋白。如果SNAP或Halo分子彼此相邻移动，它们将产生二聚体。随着时间的推移，她追踪了这些二聚化的复杂浓度。如果浓度发生变化，则表明存在新的分子对。如果浓度降低，则表明蛋白质分解了。无论哪种方式，都将表明发生了移动。他们发现，随着时间的流逝，二聚体的百分比增加了。HALO和SNAP Gag蛋白在整个晶格中移动，并随时间聚集在一起。
研究病毒的新工具
图像显示了用100%HIV Gag蛋白野生型转染的细胞(图A)和用100%Gag-Dendra2荧光蛋白转染的细胞(图B)的80 nm切片。每个面板的底部显示了5种代表性的VLP。
这是第一个表明包膜病毒的蛋白晶格结构是动态的研究。这种新工具对于更好地了解随着新的病毒颗粒从不成熟变为危险感染而发生的晶格变化非常重要。
“导致感染的分子机制是什么?这开辟了一条新的研究领域。”萨哈说。“如果您能弄清楚该过程，也许您可以做一些阻止他们相互发现的事情，就像一种可以阻止病毒正常运转的药物。”