牛津大学的研究人员观察到病毒样颗粒逐一分子地自行组装，揭示了允许复杂生物结构以令人瞩目可靠性形成的意外简单规则。这些发现发表于《自然》杂志，详细展示了科学家们几十年来一直难以直接观察的过程。了解病毒如何构建其保护性蛋白质外壳，以及如何中断这一构建过程，可能会导致新型抗病毒药物、改进疫苗和其他医疗治疗的出现。这一发现有助于解释尽管有成千上万种连接方式，个别蛋白质如何持续自我组织成正确的结构。研究人员发现，病毒的组装类似于在一个复杂的迷宫中导航，只有某些路径能引导到持久的进展。最初，蛋白质组件形成弱连接，如果安排不成功，这些连接很容易断开。这种灵活性使分子能够尝试不同的组合，直到它们形成特定的封闭结构。一旦多个连接将这些结构固定在一起，它们就变得更加稳定。这些稳定的排列作为分子检查点，将大量可能的组装路径缩小到一组更小的成功路径。一个特别重要的里程碑发生在五个较大的蛋白质构件连接形成一个封闭的五角环时。这是组装过程中的第一个高度稳定结构。一旦它形成，后续的每一个稳定阶段所需的额外构件就会减少，从而使颗粒生长得更快。共同首席作者罗伊·阿索尔博士（牛津大学化学系及卡夫利纳米科学发现研究所）解释道：“病毒必须解决一个非凡的构建问题。它的组件必须在大量的可能性中找到正确的安排，而没有蓝图或机器指导这个过程。我们现在可以逐分子观察发生的事情，并看到使其成为可能的物理规则。” 观察病毒颗粒逐分子组装 病毒在其有序的蛋白质外壳（称为衣壳）内存储和保护其遗传物质。根据病毒的不同，这些外壳可能由几十甚至数千个独立的蛋白质组件组成。值得注意的是，在许多情况下，这些蛋白质可以在没有任何外部机器指导其组装的情况下自行排列成正确的结构。尽管科学家们对病毒自组装进行了数十年的研究，但在整个过程中捕获这一过程仍然是一项重大挑战。许多中间结构只短暂存在，且出现数量非常少。因此，传统方法通常允许研究人员检查起始材料和最终颗粒，而没有清晰地显示如何从一种转变为另一种。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。他们使用质量光度法，这是一种在牛津大学开发的技术，通过测量散射的光来确定单个分子的质量。通过将这种技术与保持单个分子密闭和持续可观察的新方法结合，研究小组能够在额外蛋白质附加的过程中，反复测量生长颗粒的质量。这种方法使科学家能够在实际发生时跟踪构建过程，有效监测分子构件随时间的增加。共同首席作者、牛津大学化学系及卡夫利纳米科学发现研究所的博士生丹·洛温塔尔表示：“这种方法让我们能够直接研究组装过程，我们只需拍摄视频！” 共同首席作者、牛津大学化学系及卡夫利纳米科学发现研究所的菲利普·库库拉教授表示：“到目前为止，我们对这些结构组装过程的理解大多必须从快照或理论模型中重建。能够量化基本相互作用并跟踪一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。” 使病毒组装有效的惊人技巧 这些结果有助于解释如何在涉及巨量分子排列的过程中始终如一地生成正确结构。蛋白质并不探索所有可能的路线，而是通过相对较少的稳定中间阶段逐步推进，引导组装走向完成。这些发现还阐明了构建的最早阶段，即成核，特别困难的原因，以及为什么在第一个稳定的结构出现后，生长会显著加快。这种效率的一个关键部分来自于蛋白质构件进行微调的能力。