理解病毒如何构建其保护性的蛋白质外壳，以及这种构建过程如何被干扰，有望为开发新型抗病毒药物、改进疫苗及其他医疗手段提供新途径。这项最新研究揭示了单个蛋白质如何在拥有数千种可能连接方式的情况下，依然能够始终如一地组织成正确的结构。
研究人员发现，病毒的组装过程类似于穿行于一座复杂的迷宫，只有特定的路径才能通向持久的进展。起初，蛋白质组件之间会形成微弱的连接，如果排列不成功，这些连接很容易断裂。这种柔性允许分子不断尝试不同的组合，直到它们形成特定的闭合结构。一旦多个连接将这些结构固定在一起，它们就会变得极其稳定。
这些稳定的排列充当了分子关卡（molecular checkpoints），将巨量的可能组装路线缩减为一小组合适的成功路径。其中一个尤为重要的里程碑发生在五个较大的蛋白质构建块连接并形成闭合的五边形环时。这是组装过程中的第一个高度稳定结构。一旦它形成，后续的每个稳定阶段所需的额外构建块就会减少，从而使颗粒能够更快地生长。
共同第一作者、牛津大学化学系及卡夫利纳米科学发现研究所的 Roi Asor 博士解释道：“病毒必须解决一个非凡的构建问题。它的组件必须在没有蓝图或指导机制的情况下，从无数的可能性中找到正确的排列方式。现在，我们可以逐个分子地观察这一过程，并看到使其成为可能的物理规则。”
逐个分子地观察病毒颗粒的组装
病毒将其遗传物质储存在并保护在被称为衣壳（capsids）的有组织的蛋白质外壳内。根据病毒的不同，这些外壳可能由几十个甚至数千个单独的蛋白质组件组成。值得注意的是，在许多情况下，这些蛋白质能够在没有外部机器指导其组装的情况下，自行排列成正确的结构。
尽管科学家们几十年来一直在研究病毒的自组装，但实时捕捉这一过程一直是一个重大挑战。许多中间结构仅短暂存在且数量极少。因此，传统方法通常只允许研究人员检查起始材料和完成后的颗粒，而无法清晰展示一者如何转化为另一者。
为了克服这一局限性，牛津大学的研究人员研究了一种由 60 个蛋白质单元组成的工程化病毒样颗粒。他们使用了质谱光度测定法（mass photometry）——这是一种由牛津大学开发的技术，通过测量单个分子散射的光来确定其质量。通过将该技术与一种保持单个分子受限并可连续观察的新方法相结合，该团队能够在附加额外蛋白质时，重复测量不断生长的颗粒的质量。
这种方法使科学家能够实时跟踪构建过程，有效地追踪了随时间推移单个分子构建块的加入情况。
共同第一作者、牛津大学化学系及卡夫利纳米科学发现研究所的博士生 Dan Loewenthal 表示：“这种方法让我们能够直接研究组装过程，我们只需要录制视频即可！”
共同通讯作者 Philipp Kukura 教授指出：“在此之前，我们对这些结构如何组装的大部分理解不得不通过快照或理论模型来重建。能够量化潜在的相互作用并追踪单个颗粒的生长改变了这一点。我们可以看到重要的中间结构出现，并推导出构建过程的详细模型。”
使病毒组装成功的惊人机制
研究结果有助于解释为什么一个涉及压倒性数量可能分子排列的过程能够始终如一地产出正确结构。蛋白质并没有探索每一条可能的路线，而是通过数量相对较少、稳定的中间阶段推进，从而引导组装走向完成。
这些发现还阐明了为什么构建的最早阶段（称为成核作用）特别困难，以及为什么在第一个稳定结构出现后生长速度会显著加快。
这种高效率的关键部分来自于蛋白质构建块犯错而不会永久破坏过程的能力。微弱的初始连接允许错误的组合分离，从而使蛋白质有另一次机会找到更好的排列。当足够多的组件最终在正确的闭合构型中连接时，由此产生的结构变得足够稳定以支持进一步的生长。
Asor 博士补充道：“微弱的相互作用为系统留出了犯错的空间。大多数接触不一定非要成功：组件可以分离并再次尝试。但是，一旦它们中有足够多的数量以正确的闭合排列组合在一起，结构就会变得稳定，组装就可以向前推进。这种试错与锁定成功结构的结合，正是使该过程如此可靠的原因。”
抗病毒药物和疫苗的新可能性
通过确定控制病毒组装的分子相互作用，科学家最终可能开发出干扰病毒蛋白质外壳构建的疗法。同样的见解也可以支持为疫苗和其他治疗应用设计病毒样颗粒的努力。
共同作者 Jack Tan 博士（MRC 韦瑟勒分子医学研究所和 CAMS-牛津研究所）指出：“在分子水平上理解这些过程的能力，可能在疫苗开发和破坏病毒组装的抗病毒药物中具有重要应用。”
这些意义可能远远超出病毒本身。自组装在整个生物学中至关重要，它有助于构建从细胞内部骨骼到专门的分子区室和大型蛋白质复合物的一切事物。
通过使逐个分子观察这些复杂构建过程成为可能，牛津大学团队的方法为研究人员提供了一种强大的新方法，以研究复杂的生物结构如何从相对简单的相互作用中涌现出来。