研究人员首次捕获了单个病毒形成的图像，提供了病毒组装动力学的实时视图。这项研究为如何对抗病毒和设计自组装粒子提供了新的见解。
这项研究发表在《美国国家科学院院刊》上。
“结构生物学已经能够以惊人的分辨率解析病毒的结构，精确到每一种蛋白质的每一个原子，”哈佛大学约翰·a·保尔森工程与应用科学学院(Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences)瓦格纳家族化学工程教授、物理学教授维诺森·马诺哈兰(Vinothan Manoharan)说。“但我们仍然不知道这种结构是如何组装起来的。我们的技术为病毒如何组装提供了第一个窗口，并定量详细地揭示了动力学和途径。”
马诺哈兰还是定量生物学计划(Quantitative Biology Initiative)的联合主任，这是一个跨哈佛大学的计划，将生物学、新的测量技术、统计学和数学结合在一起，以开发生物系统的因果、预测数学模型。
马诺哈兰和他的团队专注于单链RNA病毒，这是地球上数量最多的病毒。在人类中，RNA病毒是导致西尼罗河热、肠胃炎、脊髓灰质炎、普通感冒和手足口病等疾病的原因。
这些病毒往往非常简单。马诺哈兰和他的团队研究的感染大肠杆菌的病毒，直径约30纳米，有一条RNA，大约有3600个核苷酸和180个相同的蛋白质。这些蛋白质排列成六边形和五边形，在RNA周围形成一个足球状的结构，称为衣壳。
这些蛋白质如何形成这种结构是病毒组装的核心问题。到目前为止，还没有人能够实时观察到病毒的装配，因为病毒及其组成部分非常小，相互作用也非常弱。
为了观察这些病毒，研究人员使用了一种被称为干涉散射显微镜的光学技术，在这种技术中，从一个物体上散射的光会在更大的光场中产生一个暗斑。这项技术没有揭示病毒的结构，但它揭示了病毒的大小以及病毒如何随时间变化。
研究人员将病毒RNA链附着在基质上，就像花的茎一样，然后让蛋白质在其表面流动。然后，使用干涉显微镜，他们观察黑点的出现，并逐渐变暗，直到它们变成成熟病毒的大小。通过记录这些生长点的强度，研究人员实际上可以确定随着时间的推移，有多少蛋白质附着在每条RNA链上。
马诺哈兰说:“我们立即注意到的一件事是，所有斑点的强度一开始很低，然后迅速上升到整个病毒的强度。”“枪击事件发生在不同的时间。有的衣壳不到一分钟就组装好了，有的用了两三分钟，有的超过五分钟。但是一旦他们开始组装，他们就不会反悔。他们成长，成长，然后他们完成了。”
研究人员将这些观察结果与之前的模拟结果进行了比较，后者预测了两种装配途径。在一种途径中，蛋白质首先随机粘附在RNA上，然后重新排列成衣壳。在第二种情况下，蛋白质的临界质量，称为细胞核，必须在衣壳生长之前形成。
实验结果与第二种途径相吻合，排除了第一种途径。不同病毒的细胞核在不同的时间形成，但一旦形成，病毒就会迅速生长，直到达到合适的大小才会停止。
研究人员还注意到，当有更多的蛋白质在底物上流动时，病毒更容易发生错配。
“以这种方式组装的病毒必须平衡细胞核的形成和衣壳的生长。如果细胞核形成太快，完整的衣壳就不能生长。这一发现可能会让我们对如何阻止致病性病毒的聚集有一些深刻的认识。”马诺哈兰说。
单个蛋白质是如何聚集在一起形成细胞核的，这仍然是一个悬而未决的问题，但既然实验人员已经确定了这一途径，研究人员可以开发新的模型来探索其中的装配过程。这些模型也可能对设计自行组装的纳米材料有用。
“这是定量生物学的一个很好的例子，因为我们的实验结果可以用数学模型来描述，”马诺哈兰说。
这项研究由Rees F. Garmann和Aaron M. Goldfain合著。它得到了美国国家科学基金会、美国国立卫生研究院和西蒙斯基金会的部分支持。
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