作為蒙大拿州立大學(xué)研究生的七年，Rebecca Hochstein徒步前往黃石國家公園的偏遠(yuǎn)地區(qū)。她小心翼翼地避開那些在路上看到的小徑的熊，她從海登谷南邊的一個(gè)176度的溫泉中采集樣本。然后她回到密歇根州立大學(xué)，在那里她處理了樣本，分析了她的發(fā)現(xiàn)并最終將她的博士研究集中在一個(gè)檸檬形病毒上，她繼續(xù)透露這些病毒的秘密。

Rebecca Hochstein于2015年獲得MSU微生物學(xué)和免疫學(xué)系博士學(xué)位，是一項(xiàng)研究的主要作者，該研究解釋了檸檬形病毒如何自我組裝以及病毒如何將DNA攜帶進(jìn)入宿主細(xì)胞。由Tina Loesekann提供的照片。

她最近的一篇論文 - 這篇論文發(fā)表在國家科學(xué)院官方期刊PNAS上- 解釋了一種全新的方式，即病毒在構(gòu)建粒子中運(yùn)作，以及病毒如何改變形狀以與宿主細(xì)胞相互作用。由于在醫(yī)學(xué)和生物技術(shù)方面的潛在應(yīng)用，本文特別關(guān)注Acidianus尾軸紡織病毒，或簡稱Acidianus病毒。該論文解釋了大自然如何組裝病毒以及病毒如何排出DNA。

“實(shí)際上只有三種常見的病毒形狀(球形，圓柱形和檸檬形)，”共同作者馬丁勞倫斯說，他是密歇根州立大學(xué)化學(xué)與生物化學(xué)系教授。“我們已經(jīng)了解了多年來構(gòu)建圓柱形和球形病毒的原理，但這是我們第一次真正了解第三類病毒是如何組合在一起的。

“我們現(xiàn)在了解這第三種病毒殼是如何組裝的，以及它用來攜帶然后最終彈出它攜帶的DNA的動(dòng)態(tài)過程，”勞倫斯說。“這種理解可能會(huì)適用于技術(shù)用途。

“如果我們可以用不同的貨物裝載這些病毒殼，比如一種藥物，并將其靶向身體的某個(gè)特定位置，例如腫瘤，那么它可以將藥物輸送到該特定位置，使藥物更有效，或減少副作用，“勞倫斯說。

Hochstein的合作者表示，她的研究非常重要，因?yàn)樗兄诨纠斫?，并具有廣泛應(yīng)用的潛力。它還展示了當(dāng)科學(xué)家們可以使用世界上最先進(jìn)的顯微鏡之一時(shí)會(huì)發(fā)生什么。這種顯微鏡引發(fā)了低溫電子顯微鏡的革命，該技術(shù)的開發(fā)者為此獲得了2017年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。

來自密歇根州立大學(xué)，加州大學(xué)洛杉磯分校和德國馬克斯普朗克生物化學(xué)研究所的Hochstein及其合作者通過結(jié)合使用低溫電子顯微鏡和X射線晶體學(xué)，更多地了解了Acidianus病毒的結(jié)構(gòu)。

X射線晶體學(xué)在結(jié)晶蛋白質(zhì)上發(fā)射X射線以確定生物分子結(jié)構(gòu)。冷凍電子顯微鏡可以在溶液中冷凍的蛋白質(zhì)上發(fā)射電子，提供如此高分辨率的圖像，科學(xué)家可以將模型創(chuàng)建到原子水平。勞倫斯說，Hochstein項(xiàng)目中的低溫電子顯微鏡是五年前世界上最復(fù)雜的一種。價(jià)值約700萬美元的工具位于馬克斯普朗克研究所，勞倫斯從2013年至2014年休假。

共同作者，農(nóng)業(yè)大學(xué)植物科學(xué)與植物病理學(xué)系教授Mark Young表示，對(duì)納米技術(shù)感興趣的病毒學(xué)家和科學(xué)家們很高興能夠了解大自然進(jìn)化病毒以建立病毒粒子的新方法。

Young補(bǔ)充說，他是基于發(fā)現(xiàn)的基礎(chǔ)科學(xué)的重要支持者，并說Hochstein的研究就是一個(gè)很好的例子。他說，她的發(fā)現(xiàn)有朝一日會(huì)有重要的應(yīng)用。

“從黃石中的沸騰酸溫泉中分離出來的這種病毒的詳細(xì)了解提供了一種新的基于病毒的納米容器，它可以在高溫和酸性條件下運(yùn)行，這是生物技術(shù)公司感興趣的，”Young說。“這是因?yàn)樗鼣U(kuò)展了基于病毒的納米籠子可以運(yùn)行的條件。這些類型的納米籠子已經(jīng)被證明在動(dòng)物胃腸道中是穩(wěn)定的，開啟了它們作為智能藥物輸送系統(tǒng)發(fā)展的可能性“。

勞倫斯說，除其他外，研究小組能夠發(fā)現(xiàn)Acidianus病毒是如何從檸檬形病毒轉(zhuǎn)變?yōu)殚L而細(xì)的圓柱體的“顯著轉(zhuǎn)變”。解釋如何，他將其結(jié)構(gòu)與通過繩索連接的磚進(jìn)行比較。

勞倫斯說：“這些磚實(shí)際上是以長螺旋形連接在一起，幾乎就像一根螺旋形的繩索，然后四到六根螺旋繩相互纏繞在一起形成檸檬形容器。”

勞倫斯說，為了將檸檬形病毒變成圓柱體，繩索必須相互滑動(dòng)。

“我們認(rèn)為這種過渡用于將DNA從病毒噴射到病毒感染的細(xì)胞中，”勞倫斯說。“這回答了DNA如何離開病毒的問題。通過類比，如何從檸檬中取出汁液?你擠壓它。在這種情況下，殼中的繩索擠壓內(nèi)部的DNA，迫使它出來。”

勞倫斯稱贊Hochstein在黃石國家公園工作多年，并參與了研究的其他各個(gè)階段。勞倫斯說，Acidianus不會(huì)在實(shí)驗(yàn)室中生長，所以黃石公園的Crater Hills的Alice Springs成為她的實(shí)驗(yàn)室。

Hochstein是PNAS論文的第一作者，她于2015年獲得了MSU微生物學(xué)和免疫學(xué)系的博士學(xué)位。她現(xiàn)在是明尼蘇達(dá)大學(xué)雙子城大學(xué)的博士后研究員，負(fù)責(zé)調(diào)查海洋蠕蟲Capitella teleta的微生物組。

Hochstein已將注意力轉(zhuǎn)移到檸檬形病毒上，但她說她對(duì)她在PNAS的第一次出版感到興奮。她之前關(guān)于Acidianus病毒的研究結(jié)果發(fā)表在2015年和2016年的病毒學(xué)雜志上。

Hochstein說：“看到所有這些在一個(gè)大日記中如此重要，這令人興奮。”“我為這種病毒投入了大量的時(shí)間和精力。很高興看到除了我之外的其他人都覺得這很有趣也很重要。”