雖然大多數人不會(huì )認為病毒是大自然的美麗表現，但是繪制分子形狀和結構的科學(xué)家更容易被打動(dòng)。像20個(gè)白色六邊形和12個(gè)黑色五邊形的足球一樣，一些病毒由一定數量的重復蛋白質(zhì)單元組成，這些蛋白質(zhì)單元在其基因組周?chē)纬捎行虻?，對稱(chēng)的和幾乎球形的納米殼。在過(guò)去的40年里，結構生物學(xué)領(lǐng)域的科學(xué)家已經(jīng)開(kāi)發(fā)出數百種這類(lèi)病毒的漂亮的三維計算機模型。通常，它們的成分細節映射到單個(gè)原子。
除了在原子尺度上可視化病毒顆粒的令人驚嘆的順序和對稱(chēng)性之外，這些模型還幫助研究人員了解病毒如何在宿主中組裝，感染和繁殖。但根據美國印第安納州普渡大學(xué)的一組研究人員發(fā)表的一項新研究，發(fā)表在美國國家科學(xué)院院刊上，這些模型的某些方面可能并不完全切合實(shí)際。
他們的數據表明，某些類(lèi)型的病毒在對稱(chēng)性上有所突破，標準模型沒(méi)有顯示出來(lái)。這些不對稱(chēng)可能會(huì )揭示有關(guān)這些病毒生命周期的新細節。
在1956年 - 他們宣布DNA結構僅僅幾年后 - 弗朗西斯·克里克和詹姆斯·沃森描述了他們的理論，即病毒可以具有由重復蛋白質(zhì)單元組成的對稱(chēng)結構。正如雙螺旋的發(fā)現一樣，他們的思想是由羅莎琳德富蘭克林先前關(guān)于病毒結構的研究所告知的，他們的想法是正確的。
雖然并非所有病毒都具有幾何形狀，但我們現在知道它們中的很多都有。許多不相關(guān)的群體共有的一個(gè)共同點(diǎn)是二十面體 - 一個(gè)有20個(gè)邊和12個(gè)頂點(diǎn)的多邊形。該形式由其外殼中的一定數量的蛋白質(zhì)單元限定。
同年，克里克和沃森發(fā)表了關(guān)于病毒結構的想法，一位名叫邁克爾·羅斯曼的年輕學(xué)生正在蘇格蘭格拉斯哥大學(xué)完成化學(xué)結晶學(xué)博士學(xué)位 - 制作給定樣品的科學(xué)結晶，使其結構可以用一束X射線(xiàn)和這些X射線(xiàn)如何衍射的數學(xué)進(jìn)行探測。
這種方法也稱(chēng)為“X射線(xiàn)晶體學(xué)”，可用于各種分子，包括DNA，蛋白質(zhì)甚至是具有確定形狀的整個(gè)病毒。最后一個(gè)案例最終抓住了羅斯曼的興趣。
這位科學(xué)家自1964年以來(lái)一直在印第安納州的普渡大學(xué)(Purdue University)工作，通過(guò)X射線(xiàn)晶體學(xué)和相關(guān)技術(shù)建立可能是世界領(lǐng)先的病毒結構研究計劃。在88歲時(shí)，他散發(fā)出一種顯著(zhù)的敏銳度，在他的學(xué)術(shù)同行中仍然顯著(zhù)。其中最重要的是病毒學(xué)家理查德庫恩。
自1992年加入Purdue以來(lái)，Kuhn與Rossman合作繪制了幾十種病毒結構。幾年前，羅斯曼和庫恩是第一個(gè)報告寨卡病毒結構的人 - 就像它正在涌入公眾意識一樣。他們使用的是一種在結構生物學(xué)領(lǐng)域越來(lái)越有用的新技術(shù)，而不是X射線(xiàn)晶體學(xué)。眾所周知，冷凍電子顯微鏡可以從電子束產(chǎn)生冷凍狀態(tài)的單個(gè)病毒顆粒的高分辨率圖像。
最近，當傾倒一些與抗體結合的西尼羅河病毒株的冷凍電子顯微鏡圖像時(shí)，庫恩的一名學(xué)生注意到了一些不尋常的東西。
“病毒的一側只有一個(gè)模糊的密度，”研究生Matthew Therkelsen回憶說(shuō)。“這對我來(lái)說(shuō)意味著(zhù)病毒結構中有一個(gè)明顯的特征，而這種特征并不是通過(guò)對稱(chēng)來(lái)預測的。”
西尼羅河病毒的典型模型將在其二十面體殼中具有180個(gè)蛋白質(zhì)單元的整齊對稱(chēng)排列。但是，Therkelsen在他的數據中看到的模糊補丁讓他質(zhì)疑這個(gè)模型。
“這是我第一次認為病毒可能是不對稱(chēng)的，”他說(shuō)。
與普渡大學(xué)的其他團隊合作，Therkelsen開(kāi)始將他的數據插入到病毒的計算機模型中，而不依賴(lài)于形狀完全對稱(chēng)的假設。這些數據與這些模型一致，并顯示，實(shí)際上，西尼羅河病毒的平均數量可能只有180個(gè)蛋白質(zhì)單位，可以使它完全對稱(chēng)。
庫恩認為，這種不完美可能是病毒形成的最后一步的假象，當一種新的病毒顆粒從被上一代感染的細胞膜中分離出來(lái)時(shí)。
“這個(gè)萌芽的粒子的頸部在掐斷時(shí)變得非常狹窄，殼體周?chē)奶堑鞍组_(kāi)始相互撞擊，”庫恩解釋說(shuō)。“我們認為它們可能無(wú)法獲得正確數量的蛋白質(zhì)來(lái)制造二十面體，結果就是一側有一個(gè)扭曲的粒子。”
換句話(huà)說(shuō)，對稱(chēng)性的突破很像肚臍。因此，這種功能可能與其他類(lèi)似于西尼羅河的病毒相同。這包括寨卡病毒，登革熱，黃熱病和基孔肯雅病毒 - 一些人類(lèi)可以從蚊子叮咬中獲得的最可怕的病原體。
庫恩指出，其他二十面體病毒，如脊髓灰質(zhì)炎和普通感冒病毒，也可能具有這種不對稱(chēng)性。“[這是一個(gè)我們也在追求的有趣問(wèn)題，”他說(shuō)。
這種情況很可能發(fā)生。芬蘭赫爾辛基大學(xué)的結構生物學(xué)家Sarah Butcher沒(méi)有參與這項研究，他指出其他病毒結構不對稱(chēng)的證據已經(jīng)在她和其他研究人員之前發(fā)表的著(zhù)作中看到過(guò)。
“我們寫(xiě)了幾篇關(guān)于如何處理這種不對稱(chēng)的論文，以及它的一些原因，”她說(shuō)。
與Butcher這樣的研究人員一起，普渡大學(xué)的研究小組還發(fā)現了在病毒解剖學(xué)中更深層次的不對稱(chēng)性，這些病毒在發(fā)育過(guò)程中會(huì )發(fā)生變化，并可能與蛋白質(zhì)殼中的不對稱(chēng)性有關(guān)。
作為二十面體病毒不是完全對稱(chēng)構建的證據，研究人員對這些異?？梢愿嬖V我們生命周期的內容變得更加好奇。例如，除了作為病毒顆粒組裝的最終點(diǎn)的標記之外，它們還可以在感染的初始階段定位病毒，當它在進(jìn)入宿主細胞時(shí)釋放其基因組。
隨著(zhù)這些問(wèn)題的進(jìn)一步深入研究，像羅斯曼，庫恩和布徹這樣的科學(xué)家可能有理由重新考慮他們對對稱(chēng)性的假設。
“直到現在，”羅斯曼說(shuō)，“任何曾經(jīng)檢查過(guò)的病毒都是在假設它們具有二十面體對稱(chēng)性的情況下進(jìn)行的。