پژوهش تازه‌ی دانشمندان دانشگاه هاروارد بینش جدیدی را درمورد چگونگی مبارزه با ویروس‌ها و مهندسی ذراتی که به‌طور خود‌به‌خود تولید می‌شوند، فراهم می‌کند. نتایج این پژوهش در مجله‌ی Proceedings of the National Academy of Sciences منتشر شده است. وینوتان مانوهاران، استاد فیزیک و مهندسی شیمی دانشگاه هاروارد می‌گوید:

زیست‌شناسی ساختاری توانسته است ساختار ویروس‌ها را با وضوع شگفت‌انگیز و تا سطح اتم‌های موجود در هر پروتئین نشان دهد. اما ما هنوز نمی‌دانستیم که این ساختار چگونه خود را تولید می‌کند. تکنیک ما اطلاعاتی درمورد نحوه‌ی تولید ویروس‌ها فراهم کرده و مسیرها و فرایندهای مرتبط با تولید ویروس را با جزئیات کمّی نشان می‌دهد.

مانوهاران و همکارانش روی ویروس‌های دارای RNA تک‌رشته‌ای تمرکز کردند. این نوع ویروس‌ها، فراوان‌ترین نوع ویروس‌های روی زمین هستند. در انسان‌، RNA ویروس‌ها مسئول بیماری‌هایی مانند تب نیل غربی، گاستروآنتریت، بیماری دست، پا و دهان (HFMD)، فلج اطفال و سرماخوردگی معمولی هستند. این ویروس‌ها بسیار ساده‌اند. ویروسی که مانوهاران و همکارانش آن را مورد مطالعه قرار دادند و باکتری ای‌کولای (اشریشیا کُلی) را آلوده می‌کند، حدود ۳۰ نانومتر قطر دارد و دارای یک قطعه‌ی RNA حاوی حدود ۳۶۰۰ نوکلئوتید و ۱۸۰ پروتئین یکسان است. پروتئین‌ها خود را در اشکال شش ضلعی و پنج ضلعی مرتب می‌کنند و ساختاری مانند توپ فوتبال را در اطراف RNA تشکیل می‌دهند که کپسید نامیده می‌شود. چگونگی مدیریت این پروتئین‌ها برای ایجاد ساختار مذکور، پرسش اصلی در ارتباط با تولید ویروس بود.

لکه‌های تاریکی که در ویدئو دیده می‌شوند، ویروس‌های انفرادی هستند. هرچه پروتئین‌های بیشتری به رشته‌ی RNA متصل می‌شود، لکه‌ها تیره‌تر می‌شوند

تا این زمان، هیچ‌کس نتوانسته بود که تولید ویروس را در زمان واقعی ببیند زیرا ویروس‌ها و اجزای تشکیل‌دهنده‌ی آن‌ها بسیار کوچک بوده و تعاملات آن‌ها بسیار ضعیف است. پژوهشگران برای مشاهده‌ی ویروس‌ها از تکنیک نوری iSCAT استفاده کردند که در آن نوری که از اطراف یک شیء پراکنده می‌شود، نقطه‌ی سیاهی را در میدان بزرگ‌تری از نور ایجاد می‌کند. این تکنیک ساختار ویروس را نشان نمی‌دهد اما اندازه و تغییر آن را طی زمان نشان می‌دهد.

پژوهشگران رشته‌های RNA ویروسی را به لایه‌ای متصل کردند و پروتئین‌ها را روی سطح به جریان درآوردند. سپس با استفاده از یک میکروسکوپ تداخلی توانستند ظهور نقطه‌های سیاه و نیز تیره‌تر شدن لکه‌ها و کامل شدن ویروس‌ها را ببینند. پژوهشگران با ثبت شدت رنگ نقاط در حال رشد، ‌توانستند تعیین کنند که چه تعداد پروتئین طی زمان به هر رشته از RNA متصل می‌شود. مانوهاران می‌گوید:

چیزی که ما سریعا متوجه شدیم این بود که شدت رنگ لکه‌ها در آغاز کم بود ولی ناگهان لکه‌ها بسیار تیره‌تر شدند (تشکیل ویروس کامل). افزایش تیرگی ویروس‌ها در زمان‌های مختلفی رخ داد. برخی از کپسیدها در کمتر از یک دقیقه تولید شدند، برخی دو تا سه دقیقه زمان بردند و برخی بیش از پنج دقیقه. اما وقتی آن‌ها شروع به تولید کردند، به عقب برنمی‌گشتند. آن‌ها رشد می‌کردند و درنهایت ویروس کامل تشکیل می‌شد.

پژوهشگران این مشاهدات را با نتایج گذشته‌ی حاصل از شبیه‌سازی‌ها که در آن‌ها دو نوع مسیر تولید پیش‌بینی شده بود، مقایسه کردند. در مسیر پیش‌بینی‌شده‌ی اول، پروتئین‌ها ابتدا به‌صورت تصادفی به RNA می‌چسبند و سپس خود را به شکل یک کپسید مرتب می‌کنند. در مسیر دوم، یک توده‌ی بسیار مهم از پروتئین‌ها که هسته نامیده می‌شود، قبل از رشد کپسید، باید تشکیل شود. نتایج تجربی با مسیر دوم مطابقت دارد و مورد اول را رد می‌کند. هسته‌ی ویروس‌های مختلف در زمان‌های مختلفی تشکیل می‌شود اما به‌محض تشکیل شدن، ویروس به‌سرعت رشد کرده و تا زمانی‌که به اندازه‌ی مناسب خود نرسد، رشدش را متوقف نمی‌کند.

پژوهشگران همچنین متوجه شدند که وقتی پروتئین‌های بیشتری روی لایه جریان می‌یافت، تولید ویروس‌ها با خطا مواجه می‌شد. در واقع در این روش از تولید ویروس‌ها، باید بین تشکیل هسته و رشد کپسید توازنی برقرار باشد. مانوهاران می‌گوید:

اگر هسته خیلی سریع تشکیل شود، کپسید کامل نمی‌تواند رشد کند. این مشاهده ممکن است به ما بینشی درمورد چگونگی ایجاد اختلال در فرایند تولید ویروس‌های بیماری‌زا بدهد.

اینکه پروتئین‌های انفرادی چگونه برای تشکیل هسته گرد هم می‌آیند، مشخص نیست اما اکنون که مسیر مشخص شده است پژوهشگران می‌توانند مدل‌های جدیدی را توسعه دهند و تولید را در آن مسیر مورد بررسی قرار دهند. این مدل‌ها همچنین ممکن است برای طراحی نانوموادی که خود را تولید می‌کنند، مفید باشند. مانوهاران می‌گوید:

این مثال خوبی از زیست‌شناسی کمّی است که در آن ما نتایج تجربی داریم که می‌توانند با مدل‌های ریاضی توصیف شوند.