Eine Reihe von Neutronenstreuungsmessungen hat die Struktur viraler DNA in beispielloser Detailliertheit aufgedeckt und neues Licht auf Veränderungen geworfen, die die DNA bei Temperaturen nahe denen des menschlichen Körpers flüssiger machen. Laut den Forschern der Universität Lund in Schweden, die die Messungen durchgeführt haben, tragen diese strukturellen Veränderungen dazu bei, die Geschwindigkeit zu erklären, mit der Viren DNA in Wirtszellen freisetzen und so eine Infektion begünstigen.
Im Gegensatz zu Bakterien oder Pilzen können Viren ohne Wirt nicht überleben. Sobald sie jedoch eine Zelle infizieren, produzieren sie neue Viruspartikel, die dann andere Zellen infizieren. Um die genetische Information des Virus zwischenzeitlich zu schützen, ist die virale DNA meist in einer Proteinhülle, einem sogenannten Kapsid, eingeschlossen.
In der neuesten Arbeit Teamleiter Alex Evilevitch und Kollegen konzentrierten sich auf Phagenviren – also solche, die Bakterien angreifen. Mit Neutronen aus der Synchrotron-Forschungsanlage am US National Institute of Standards and Technology (NIST) In Gaithersburg, Maryland, bildeten sie die Struktur der Virus-DNA und ihre Dichte im Kapsid als Funktion der Temperatur ab.
„Die von uns verwendete Technik heißt Kleinwinkel-Neutronenstreuung (SANS) und wird normalerweise nicht für die mikrobiologische Forschung verwendet“, sagt Evilevitch. „Indem wir die bakteriellen Phagenviren dem Neutronenstrahl aussetzen, könnten wir die strukturellen Details viral verpackter DNA mit atomarer Auflösung aufdecken.“
Zentrale Rolle für die Lieferkinetik
Die Forscher führten diese Arbeit durch, um ihre frühere Entdeckung weiterzuführen, dass die Struktur des DNA-Materials im Inneren des Kapsids eine plötzliche strukturelle Veränderung erfährt, wenn es einer Temperatur von 37 °C ausgesetzt wird. Dies ist die normale Temperatur des menschlichen Körpers und bedeutet, dass die Struktur eine zentrale Rolle bei der Art und Weise spielt, wie das Virus sein genetisches Material in eine Zelle transportiert – dem ersten Schritt einer Infektion. Bemerkenswert ist, dass die DNA in Viren in einer sehr hohen Dichte verpackt ist und hunderte Male länger ist als der Durchmesser des Kapsids. Dennoch wird die DNA während einer Infektion schnell durch eine einzelne Pore aus dem Kapsid ausgeschleust.
Wie das geschieht, ist ein Rätsel, sagt Evilevitch. „Aufgrund der hohen Packungsdichte der DNA im Kapsid und des Abstands von nur wenigen Angström zwischen den benachbarten negativ geladenen DNA-Oberflächen gibt es eine starke elektrostatische Reibung, die den DNA-Auswurf behindert“, erklärt er. „Wir haben uns daher entschlossen zu untersuchen, wie sich die Temperatur auf die Struktur des viralen Genoms auswirkt, da bekannt ist, dass Viren bei optimaler Körpertemperatur (37 °C) ihre flüssigkeitsähnliche DNA schnell ausstoßen können.“
Die Forscher entschieden sich für einen atypischen Ansatz für die Neutronenbildgebung, da SANS eine Kontrastanpassung ermöglicht, wodurch Proteinkapside für den Neutronenstrahl praktisch unsichtbar werden. Dadurch konnten sie sich stattdessen auf den Inhalt des Kapsids konzentrieren und so die Details der Form und Dichte der DNA ans Licht bringen.
Zwei Phasen
„Wir haben zum ersten Mal gezeigt, dass DNA im Inneren eines Viruskapsids in zwei Phasen koexistiert – einer hexagonal geordneten Phase hoher Dichte in der Peripherie des Kapsids und einer weniger geordneten, flüssigkeitsähnlichen Phase niedriger Dichte im Kern des Kapsids.“ das Kapsid“, erzählt Evilevitch Physik-Welt. „Temperaturerhöhungen lösen einen Übergang in der DNA aus, bei dem ein Teil der geordneten DNA in der Peripherie in die weniger geordnete Phase im Zentrum wandert, wodurch der DNA-Auswurf aus dem Virus in eine Zelle beginnen kann.“
Laut Evilevitch zeigen diese Ergebnisse, dass die Temperatur eine wichtige Rolle im Infektionsprozess spielt und dass Neutronenstreuung ein nützliches Werkzeug zur Untersuchung der Struktur viraler Genome in viralen Kapsiden ist.
Neutronen enthüllen Geheimnisse der Selbstorganisation
Das Lund-Team optimiert nun seinen Ansatz mit Neutronenlicht, um Dichteänderungen in der DNA zu untersuchen, die im menschlichen Herpesvirus Typ 1 verpackt ist. „Dieses Wissen wird wichtig sein, um den DNA-Auswurfmechanismus zu verstehen, der wiederum den Verlauf einer Infektion steuern könnte“, sagt Evilevitch. „Dies kann entweder latent (ruhend) oder lytisch (aktiv und das Virus repliziert sich schnell) sein.“
Bisher haben Evilevitch und Kollegen Veränderungen der DNA-Dichte in Zellkulturen nur im Labor beobachtet. Analysen, die Faktoren wie die Immunantwort und deren Einfluss auf den Infektionsverlauf berücksichtigen, seien in Zukunft notwendig, heißt es.
Letztendlich glauben die Forscher an die Ergebnisse dieser Studie, die detailliert beschrieben wird PNAS, könnte Wissenschaftlern helfen, besser zu verstehen, wie DNA aus einem Virus austritt und in eine Wirtszelle gelangt – etwas, das für die Entwicklung von Techniken wichtig sein könnte, um Viren tatsächlich ein- und auszuschalten. Dies könnte wiederum bei der Entwicklung neuer antiviraler Wirkstoffe helfen.
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- Quelle: https://physicsworld.com/a/viruses-change-structure-at-the-temperature-of-the-human-body-to-better-infect-us/
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