新的研究表明，從結(jié)構(gòu)上看待病毒的方式將需要重新改造，因?yàn)樗鼈儗?shí)際上以比以前理解的更多的模式進(jìn)行了結(jié)構(gòu)化。這些發(fā)現(xiàn)可能會(huì)對(duì)它們的分類方式，我們對(duì)它們?nèi)绾涡纬?，進(jìn)化和感染宿主以及確定用于設(shè)計(jì)針對(duì)它們的疫苗的方法的策略產(chǎn)生重大影響。

在1950年代和60年代，隨著科學(xué)家開始獲得高分辨率的病毒圖像，他們發(fā)現(xiàn)了衣殼的詳細(xì)結(jié)構(gòu)-由同一蛋白的多個(gè)副本組成的外部保護(hù)層-保護(hù)病毒的遺傳物質(zhì)。大多數(shù)病毒的衣殼通常為準(zhǔn)球形，并顯示二十面體對(duì)稱性，例如20面骰子。

衣殼是保護(hù)它們的外殼，隨著科學(xué)家發(fā)現(xiàn)它們的結(jié)構(gòu)，他們提出了衣殼可以具有不同的大小和容納不同數(shù)量的基因組，因此可以不同地感染宿主。

為什么這很重要

在設(shè)計(jì)針對(duì)病毒的藥物時(shí)，科學(xué)家現(xiàn)在可以考慮其不同的結(jié)構(gòu)形狀以提高功效。

兩位研究病毒結(jié)構(gòu)的研究人員是圣地亞哥州立大學(xué)的理論生物物理學(xué)家，病毒信息研究所的成員Antoni Luque和英國(guó)約克大學(xué)的數(shù)學(xué)生物學(xué)家Reidun Twarock，以及約克十字架的成員-系統(tǒng)分析學(xué)科中心顯示，許多病毒在60年來基本上已經(jīng)被錯(cuò)誤分類，包括常見的病毒，例如單純皰疹病毒和Zika。

這是因?yàn)楸M管有來自冷凍電子顯微鏡的結(jié)構(gòu)圖像，但我們沒有對(duì)許多不同病毒的體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)學(xué)描述。

我們發(fā)現(xiàn)了蛋白質(zhì)可以組織形成二十面體衣殼殼的六種新方法。因此，許多病毒不僅僅采用兩種廣為人知的衣殼架構(gòu)?，F(xiàn)在，至少有八種方法可以設(shè)計(jì)其二十面體衣殼。”

他們使用準(zhǔn)等價(jià)原理的泛化來觀察蛋白質(zhì)如何包裹二十面體衣殼。

他們的研究將在9月27日星期五發(fā)表在《自然通訊》上，該研究還表明，屬于相同結(jié)構(gòu)譜系的病毒基于其所組成的蛋白質(zhì)，采用一致的二十面體衣殼布局，提供了一種新方法研究病毒的進(jìn)化。

生物技術(shù)應(yīng)用

結(jié)構(gòu)生物學(xué)家現(xiàn)在可以獲取這些信息，并對(duì)病毒的結(jié)構(gòu)進(jìn)行重新分類，這將有助于揭示不同病毒之間的分子和進(jìn)化關(guān)系。

它還將為設(shè)計(jì)用于納米技術(shù)和生物技術(shù)應(yīng)用的新型分子容器提供指導(dǎo)，并將幫助科學(xué)家確定針對(duì)衣殼中蛋白質(zhì)組裝的特定策略。這最終可以導(dǎo)致開發(fā)抗病毒疫苗的系統(tǒng)化方法。

盧克說：“我們可以利用這一發(fā)現(xiàn)來針對(duì)衣殼的組裝和穩(wěn)定性，以防止病毒感染宿主細(xì)胞時(shí)形成病毒，或者在形成病毒后將其分解。” “這可能有助于表征和鑒定共享相同二十面體布局的病毒的抗病毒靶標(biāo)。”

這個(gè)新框架可容納以前異常的病毒，提供病毒衣殼結(jié)構(gòu)的新預(yù)測(cè)，并確定了在遙遠(yuǎn)的進(jìn)化相關(guān)病毒中常見的幾何模式，這種病毒會(huì)感染從人到細(xì)菌的所有人。

Twarock說，新的藍(lán)圖還提供了“關(guān)于病毒進(jìn)化的新觀點(diǎn)，表明了更大的和更復(fù)雜的病毒可能已經(jīng)在進(jìn)化的時(shí)間尺度上從簡(jiǎn)單的病毒進(jìn)化而來的新途徑。”

建筑應(yīng)用

幾何形狀還可用于建筑物和建筑的新建筑設(shè)計(jì)中。

自1960年代以來，這些病毒衣殼已使用結(jié)構(gòu)生物學(xué)家唐納德·卡斯帕(Donald Caspar)和生物物理學(xué)家亞倫·克魯格(Aaron Klug)引入的幾何框架進(jìn)行了分類，這些幾何框架的靈感來自著名建筑師R. Buckminster Fuller設(shè)計(jì)的測(cè)地線圓頂。但是，隨著分子成像技術(shù)的發(fā)展，越來越多的包括諸如皰疹或寨卡病毒在內(nèi)的3D病毒衣殼重構(gòu)已從這種經(jīng)典的幾何框架中消失了。

盧克解釋說：“這項(xiàng)研究引入了比經(jīng)典的Caspar-Klug結(jié)構(gòu)更通用的框架。它基于對(duì)衣殼中相互作用的蛋白質(zhì)形成的局部頂點(diǎn)的保守性。” “這種方法導(dǎo)致發(fā)現(xiàn)了六種新型的二十面體衣殼布局，同時(shí)從基于Goldberg和測(cè)地多面體的Caspar-Klug中恢復(fù)了兩種經(jīng)典布局。”

合作與資金

圣地亞哥國(guó)立大學(xué)的Antoni Luque和約克大學(xué)的Reidun Twarock的共同作者于2017年開始進(jìn)行這項(xiàng)研究。Luque的實(shí)驗(yàn)室使用數(shù)學(xué)和計(jì)算模型研究病毒的體系結(jié)構(gòu)和生態(tài)學(xué)。他正在使用此研究項(xiàng)目中的新框架，目前正在開發(fā)方法來研究不同環(huán)境中的病毒體系結(jié)構(gòu)，這可能對(duì)醫(yī)學(xué)，生態(tài)學(xué)和進(jìn)化產(chǎn)生影響。

Twarock自2004年以來一直在開發(fā)用于病毒架構(gòu)的幾何模型。她的小組正在開發(fā)數(shù)學(xué)和計(jì)算方法，以研究病毒幾何學(xué)對(duì)病毒生命周期和病毒進(jìn)化機(jī)制的影響。