Um vírus, o objeto físico mais simples da biologia, consiste em um invólucro de proteína chamado capsídeo, que protege seu genoma de ácido nucléico - RNA ou DNA. O capsídeo pode ser cilíndrico ou cônico em forma, mas mais comumente assume uma estrutura icosaédrica, como uma bola de futebol.

A formação do capsídeo é uma das etapas mais importantes no processo de infecção viral. Se o vírus for pequeno, o capsídeo se forma espontaneamente. Vírus esféricos maiores, Contudo, como o vírus herpes simplex ou vírus da doença infecciosa da bolsa, precisam da assistência de "proteínas de arcabouço produzidas naturalmente, "que servem como um modelo que orienta a formação do capsídeo. Como essas grandes conchas virais se agrupam em estruturas altamente simétricas não é bem compreendido.

Uma equipe de físicos e um virologista, liderado por um cientista da Universidade da Califórnia, Riverside, agora publicou um artigo de pesquisa no Proceedings of the National Academy of Sciences explicando como grandes cascas de vírus são formadas. Seu trabalho também pode ser usado para explicar como grandes cristais esféricos se formam na natureza.

Esse entendimento pode ajudar os pesquisadores a interromper a formação de vírus, conter a propagação de doenças virais.

Baseando-se em uma teoria chamada teoria da elasticidade contínua, os pesquisadores estudaram o crescimento de grandes capsídeos esféricos. Eles mostraram que o modelo orienta a formação das subunidades de proteína do capsídeo - os blocos de construção individuais da casca - de uma forma livre de erros e com resultados, em última análise, de uma forma altamente simétrica, estrutura icosaédrica estável.

"À medida que a estrutura esférica cresce, vemos poços potenciais profundos - ou afinidades - em locais matematicamente especificados que mais tarde se tornam os vértices da estrutura icosaédrica, "disse Roya Zandi, um professor do Departamento de Física e Astronomia da UCR, que liderou o projeto de pesquisa. "Na ausência deste modelo fornecido pelas proteínas de arcabouço, as subunidades de proteína frequentemente se agrupam em menores, estruturas menos estáveis. "

O estudo inclui simulações de computador e matemática complexa - especificamente, topologia, que é o estudo matemático das propriedades de uma figura geométrica ou sólido que não são alteradas pelo alongamento ou flexão. Ele explica em um nível fundamental qual o papel das propriedades mecânicas dos blocos de construção e das proteínas de arcabouço na formação dos capsídeos. Para grandes capsídeos assumirem estruturas icosaédricas estáveis, as subunidades de proteínas precisam ter propriedades físicas específicas. Avançar, uma interação entre as subunidades de proteína e um modelo é necessária, os pesquisadores postulam.

Um icosaedro é uma estrutura geométrica com 12 vértices, 20 faces, e 30 lados. Uma bola de futebol oficial é uma espécie de icosaedro, denominado icosaedro truncado; tem 32 painéis cortados na forma de 20 hexágonos e 12 pentágonos. Possui 60 vértices e 90 arestas. Os pentágonos são separados uns dos outros por hexágonos. Todas as estruturas icosaédricas, independentemente do tamanho, deve ter apenas 12 pentágonos.

Zandi explicou um icosaedro invocando o Problema de Thomson, que afirma que as cargas pontuais colocadas na superfície de uma esfera unitária minimizarão a energia total do sistema. As soluções para o problema colocam cada carga pontual de forma que seus vizinhos mais próximos fiquem o mais longe possível.

"Se você tem um condutor esférico e coloca 12 elétrons nele, eles vão querer estar o mais longe possível uns dos outros, "ela disse." Eles terminam nos vértices de um icosaedro. Dado este conhecimento, quando uma casca de vírus cresce, então, com base na teoria da elasticidade, você precisará de pelo menos 12 pontos defeituosos, chamadas de revelações. Imagine se você tivesse que embrulhar uma folha de papel em torno de uma esfera. Você seria forçado a dobrar o papel em certos pontos para que ele assumisse a forma esférica. Estes são pontos de revelação, e eles não podem ser evitados. Se você fosse fazer uma concha esférica usando pequenos triângulos, você precisaria fazer 12 pentágonos. Sem 12 pentágonos, uma forma esférica não é possível. "

Zandi ressaltou que para atacar os vírus de forma mais eficaz, é necessário um entendimento sólido de como eles se formam, que pode informar os pesquisadores sobre as melhores maneiras de interromper sua formação e, assim, conter a propagação de doenças virais.

“Quando um vírus é grande, como as subunidades de proteína sabem como se organizar para formar a concha mais estável possível - uma icosaédrica? ", acrescentou ela." Onde deve aparecer a primeira revelação? E o próximo? Como milhares de subunidades de proteínas podem se unir e formar estruturas icosaédricas com tanta precisão e simetria? E qual é o papel das proteínas de arcabouço? Por que grandes conchas estáveis ​​não se formam sem proteínas de suporte? Essas questões guiaram nossa pesquisa. "

Zandi explicou que cada subunidade de proteína tem uma energia de dobra, o que significa que uma subunidade prefere encontrar outra subunidade em um determinado ângulo. Para uma pequena estrutura icosaédrica, este ângulo é pequeno e agudo. Mas para formar uma grande estrutura icosaédrica ou capsídeo, este ângulo é grande e obtuso, e requer a assistência fornecida por proteínas de arcabouço. Sem esta ajuda, as subunidades de proteína formariam um tubo longo sem fim porque esse esforço requer menos energia.

"Mostramos agora que essa tendência é frustrada pelas proteínas de andaime, que forçam as subunidades de proteína a dobrar ligeiramente, aperte e forme 12 pentágonos, que então leva à formação de uma estrutura icosaédrica, "Zandi disse." Nosso estudo prova que, sem este andaime, é impossível formar uma grande concha icosaédrica altamente estável. "

Os vírus são os melhores nano-contêineres, Zandi disse. Eles podem ser usados ​​para fornecer drogas a alvos específicos no corpo porque são especialmente hábeis em atingir as células. Por exemplo, vírus podem ser feitos para transportar carga, como genomas e drogas, para fins terapêuticos para células cancerosas.

"As drogas anti-montagem podem ser mais eficientes do que outras drogas porque a aptidão viral é, em particular, sensível a mutações em interfaces de montagem específicas, "Zandi disse." De fato, pequenas moléculas foram recentemente projetadas para proibir a replicação de certos vírus por mecanismos semelhantes. "

Os vírus não respiram, metabolizar, ou crescer. Mas eles se reproduzem. O vírus mais simples possui uma camada de 60 subunidades de proteína. Três proteínas de subunidade assimétrica ocupam cada face triangular, e todas as 60 subunidades são equivalentes umas às outras. Para vírus complexos, o número de subunidades é um múltiplo de 60.

O estudo foi financiado por uma bolsa da National Science Foundation. Zandi foi acompanhado na pesquisa por Siyu Li da UCR; a virologista Polly Roy, da London School of Hygiene and Tropical Medicine, Reino Unido; e Alex Travesset, da Iowa State University. Li, um estudante de graduação no laboratório de Zandi, é o primeiro autor do artigo de pesquisa.