病毒太可怕了。它们像无形的一样入侵我们的细胞，每种类型都有自己的攻击策略。当病毒摧毁人类和动物群落时，科学家会反击。许多人使用电子显微镜，它可以“看到”病毒中的每个分子在做什么。然而，即使有最先进的技术，样品也需要冷冻和固定才能获得最高的分辨率。
现在，犹他大学的物理学家开创了一种在室温下以令人印象深刻的分辨率对病毒样粒子进行实时成像的方法。在一项新的研究中，这种方法揭示了人类免疫缺陷病毒(HIV)主要结构成分的晶格是动态的。Gag和GagPol蛋白构成的扩散晶格的发现长期以来被认为是完全静态的，这为潜在的新疗法开辟了道路。
当艾滋病毒颗粒从受感染的细胞中发芽时，病毒会经历一段时间的滞后，然后才会变得具有传染性。蛋白酶是一种以半分子形式嵌入GagPol蛋白中的酶，它必须与其他类似分子在一个称为二聚化的过程中结合。这引发了病毒成熟，导致传染性粒子。没有人知道这些半蛋白酶分子是如何相互发现并二聚的，但这可能与病毒包膜内Gag和GagPol蛋白的晶格重排有关。Gag是一种主要的结构蛋白，已被证明足以组装病毒样颗粒。gag分子形成一个六边形的晶格结构，它与自身纠缠在一起，并穿插着微小的间隙。新方法表明Gag蛋白点阵不是静态的。
这项研究的主要作者Ipsita Saha说：“这种方法通过使用传统上只能提供静态信息的显微镜技术向前迈出了一步。除了新的显微镜方法，我们还使用数学模型和生化实验来验证晶格动力学。”美国物理和天文学系。“除了病毒，这种方法的主要意义在于，你可以看到分子在细胞中是如何运动的。你可以用这种方法研究任何生物医学结构。”
本文发表于2020年6月26日《生物物理杂志》。
测绘纳米机器
科学家起初并不是在寻找动态结构，只是想研究Gag蛋白点阵。萨哈领导“黑客”显微镜技术的研究工作两年，以便能够在室温下研究病毒颗粒，观察它们在现实生活中的行为。病毒的大小非常小——直径约为120纳米——因此，萨哈使用了干涉光敏定位显微镜(iPALM)。
首先，萨哈用一种叫做树突状细胞2的荧光蛋白标记了Gag，并产生了Gag-树突状细胞2蛋白的病毒样颗粒。这些病毒样颗粒与HIV颗粒相同，但仅由Gag-Dendra2蛋白的晶格结构组成。Saha表明，获得的Gag-Dendra2蛋白以与构成常规Gag蛋白的病毒样颗粒相同的方式组装病毒样颗粒。荧光附件使iPALM能够以10纳米的分辨率成像粒子。科学家发现，每个固定的病毒样颗粒以六边形网格的形式与1400至2400种Gag-Dendra2蛋白结合。当他们使用iPALM数据重建晶格的延迟图像时，似乎Gag-Dendra2的晶格在时间上不是静态的。为了确保这一点，他们通过两种方式独立验证：
首先，他们将蛋白质点阵分成均匀的独立片段。通过相关性分析，他们测试了每个片段在10到100秒内是如何相互关联的。如果每个片段继续与自身相关，蛋白质就固定了。如果它们失去相关性，蛋白质就会扩散。他们发现随着时间的推移，这些蛋白质非常活跃。
他们验证动态点阵的第二种方法是生化法。在这个实验中，他们创造了病毒样颗粒，其晶格由80% Gag野生型蛋白质、10% SNAP标记的Gag和10% Halo标记的Gag组成。Snaphalo和Snaphalo是可以与连接器结合的蛋白质，它们可以永久结合在一起。这个想法是为了确定蛋白质晶格中的分子是保持静止还是已经迁移。
萨哈说：“Gag蛋白是随机组装的。snaphalo分子可以在晶格中的任何位置——有些可能彼此靠近，而有些则远离。”"如果晶格改变，分子可能会彼此靠近."
Saha将一种叫做Haxs8的分子引入到病毒样颗粒中。Haxs8是一种二聚体——当SNAP和Halo蛋白在彼此的结合半径内时，它们共价结合的分子。如果SNAP或Halo分子彼此相邻移动，它们将产生二聚体。随着时间的推移，她追踪了这些复杂的二聚化浓度。如果浓度变化，则表明有新的分子对。如果浓度降低，说明蛋白质分解了。无论哪种方式，它都将表明运动已经发生。他们发现，随着时间的推移，二聚体的百分比增加。HALO和SNAP Gag蛋白在整个晶格中移动，并随着时间的推移聚集在一起。
病毒研究的新工具
这是首次研究表明包膜病毒的蛋白质晶格结构是动态的。这个新工具对于更好地理解新病毒颗粒变得不成熟和危险感染时发生的晶格变化非常重要。
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