Ötven atmoszféra nyomás van egyes vírusok belsejében

A vírusok többségében egyszálú RNS az örökítőanyag. Némely vírusban - elsősorban a baktériumokat támadó úgynevezett fágokban - azonban kétszálú DNS az információhordozó. A víruskutatók nemrég kimutatták, hogy ezek a vírusok nemcsak örökítőanyaguk miatt különlegesek, hanem azért is, mert a DNS hatalmas nyomással van bepréselve fehérjékből álló kapszidjukba.

A víruskutatók régóta próbálják kideríteni, mekkora nyomás uralkodik a vírusok sűrűre összenyomott belsejében, de csak 2001-ben láttak napvilágot az első értékelhető becslések. Az azóta eltelt évek alatt több kutató egymástól független számítása és mérése alapján kiderült, hogy egyes bakteriofágokban szinte hihetetlenül nagy, 50 atmoszféra (körülbelül 5000 kilopascal) nyomás uralkodik. Ez az érték több mint 10-szerese az élő szervezetekben bárhol másutt fennálló nyomásnak. Hogyan jön létre ez a rendkívüli nyomás, és milyen szerepet játszik a vírusfertőzésben?

A dsDNS (duplaszálú DNS) vírus felépítése a következő. Az örökítőanyagot egy fehérjényi vastagságú tok (kapszid) veszi körül, amelynek fehérjealegységeit csupán a hidrofób és az elektrosztatikus erők, valamint a hidrogénkötések ereje tartja össze. A vírus szaporodásakor a genomot (azaz a DNS-t) a motorprotein csomagolja be az előre elkészített kapszidba. Ehhez 50 pikonewtonnál (a newton billiomod, azaz 10^-12 része) nagyobb erőt kell kifejtenie, ami sokkal nagyobb, mint amit bármely más motorprotein - például az RNS-polimeráz vagy a sejtek belsejében lévő szállítófehérje, a kinezin - képes kifejteni. Azért, hogy a becsomagoláskor létrejövő 50 atmoszférás nyomás ne szakítsa szét, a fehérjetoknak majdnem 100 millinewton/méter felületi feszültséget kell kibírnia, ami sokszorosa annak, amit a lipid kettősmembrán képes elviselni.

A biológiai oka annak, hogy a DNS-vírusokban ilyen nagy nyomás uralkodik a vírus különleges fertőzési módjának köszönhető. Az RNS-vírusokkal szemben - amelyek tokja fertőzéskor bejut a sejtbe, szétesik és kiszabadul belőle az örökítő anyag - a DNS-vírusok általában rátapadnak a sejtek felszínére, és genomjukat az injekciós pisztolyhoz hasonlóan, nagy nyomással lövik be a sejtbe.

Egy fág életciklusa vázlatosan

A nagy nyomás fizikai oka az, hogy a DNS-t igen nehéz összenyomni, mégis bele kell férnie a kis kapszid belsejébe. A kapszidok mérete nem növelhető túlságosan, mert több ezer másolatnak kell elférnie egy alig pár mikrométer átmérőjű sejtben. Például a lambda-bakteriofág belső sugara nagyjából 25 nanométer (a milliméter milliomod része); a bezárt DNS-genom 50 génből áll, teljes hossza kinyújtva 17 000 nanométer. Ahhoz, hogy egy ekkora DNS beleférjen egy ilyen kis térfogatba, rendkívül szorosan kell összecsomagolni. A röntgendiffrakciós vizsgálatok kimutatták, hogy a DNS atomjai a vírusokban olyan közel vannak egymáshoz, mint a kristályos DNS-ben. Összehasonlításképpen, a sejtmagban a hisztonkomplexumokba összecsavarodott DNS sűrűsége kevesebb mint egytizede a fágkapszidban lévő DNS-nek.

Mint az általában lenni szokott, az új ismeretek újabb kérdéseket vetnek fel. Ezek egyike például, hogy - mivel a gazdasejt citoplazmájának ozmotikus nyomása több atmoszféra - a DNS belövésének folyamata leáll, amikor a kapszid nyomása néhány atmoszférára csökken. Hogy jut be a sejtbe a genom fennmaradó része? Egyes elképzelések szerint a fágon keresztül víz jut a baktériumba, így az megduzzadva "beszippantja" teljes fággenomot.

Másik megoldásra váró probléma, amelyet csak a legkorszerűbb biofizikai eljárások képesek tisztázni, hogy miként bírja ki a fág vékony kapszidja ezt a nagy nyomást. A kapszid rugalmasságának kiderítésére a kutatók többek közt bevetik az atomierő-mikroszkópot, fluoreszcens mikroszkóppal vizsgálják a genom kilövődését egyes vírusokból és nagy felbontású krioelektron-mikroszkóppal tanulmányozzák a kapszid szerkezetét.

Úgy tűnik, ahogy a fágok kulcsszerepet játszottak a molekuláris biológia fejlődésében és a génsebészeti forradalomban, a nagy nyomású vírusok központi szerepet töltenek majd be a fizikai virológia most kibontakozó területén.

Forrás: Science/AAAS