Capire come si sono sviluppati i virus durante l'evoluzione

I virus hanno sempre avuto una grande influenza sulla vita. Sono emersi a un certo punto, qualche miliardo di anni fa. È difficile stimare con esattezza quando. Esistono inoltre diverse teorie su come i virus si siano sviluppati durante l'evoluzione. Tuttavia, i ricercatori dell'ETH di Zurigo sono ora riusciti a ricostruire in laboratorio una fase chiave dell'evoluzione dei virus: Lo sviluppo di un involucro virale in grado di immagazzinare il materiale genetico virale.

In parole povere, i virus sono costituiti principalmente dal loro materiale genetico (RNA o DNA) e da un involucro proteico che lo racchiude. L'involucro serve a proteggere il materiale genetico dalle influenze ambientali e a favorirne la diffusione. Per poter conservare il materiale genetico al suo interno, i componenti dell'involucro devono essere in grado di riconoscere con precisione il materiale genetico virale e di attaccarsi ad esso secondo il principio del lock-and-key.

Mutazione e selezione

I ricercatori guidati da Donald Hilvert, professore emerito presso il Dipartimento di Chimica e scienze biologiche applicate, sono riusciti a modificare una proteina batterica in modo che acquisisca questa capacità. Per farlo, gli scienziati hanno utilizzato una proteina di un batterio presente nelle sorgenti termali. Aquifex aeolicus. Nei batteri, 60 proteine di questo tipo sono naturalmente assemblate in piccoli corpi cavi a geometria regolare con 12 superfici laterali uguali. Queste capsule sono utilizzate nei batteri per consentire lo svolgimento di una specifica reazione biochimica in modo particolarmente efficiente. "In linea di principio, queste capsule batteriche sono simili a un involucro virale, con l'eccezione che le capsule batteriche non interagiscono con l'RNA", spiega l'ETH professor Hilvert.

Per consentire alle proteine della capsula di fare proprio questo, lui e i suoi colleghi hanno utilizzato l'ingegneria genetica per modificare la proteina in modo che possa attaccarsi a qualsiasi molecola di RNA. I ricercatori hanno poi imitato l'evoluzione biologica in fast-forward in un esperimento a più fasi. Questo ha permesso di ottenere che le proteine dell'involucro interagissero solo con una specifica molecola di RNA. Per fare ciò, hanno prima sottoposto questa proteina a diversi cicli di modifiche genetiche casuali e poi l'hanno sottoposta a un'adeguata pressione di selezione.

In questo modo, gli scienziati sono riusciti per la prima volta a produrre gusci di proteine che si attaccano alle proprie istruzioni di costruzione dell'RNA e le immagazzinano in modo efficiente al loro interno. Le capsule risultanti erano più grandi di quelle originali: 240 proteine si sono unite per formare un corpo cavo geometricamente regolare con 42 lati. Ognuno di questi corpi cavi conteneva da due a tre molecole di istruzioni di assemblaggio dell'RNA. Insieme ai colleghi delle Università di Leeds e York, i ricercatori hanno infine dimostrato che la struttura tridimensionale delle molecole di RNA è cambiata durante l'esperimento di evoluzione in laboratorio in modo tale da essere incorporata nelle capsule in modo simile a molte famiglie di virus conosciute.

Ampie applicazioni

"Siamo riusciti a dimostrarlo in laboratorio: Una molecola di RNA e la proteina che codifica possono cambiare in modo tale che la proteina si assembli in capsule e immagazzini l'RNA", dice Hilvert. "Una certa teoria sull'evoluzione dei virus afferma che i virus hanno avuto origine nelle cellule biologiche e che i primi virus hanno reclutato proteine dalla loro cellula ospite per proteggere e trasportare il loro genoma.

Per comprendere appieno lo sviluppo dei virus, ci sono ancora molte domande senza risposta che gli scienziati vorrebbero approfondire: L'obiettivo è capire come questi involucri abbiano imparato nel corso dell'evoluzione a sfuggire da una cellula, a penetrare in altre cellule e a rilasciarvi il materiale genetico.

Tuttavia, questo lavoro di ricerca non è importante solo per spiegare l'evoluzione dei virus. Anche lo sviluppo di particelle simili ai virus è un importante campo di ricerca con ampie applicazioni. L'obiettivo è sviluppare involucri artificiali che contengano RNA o DNA e siano in grado di introdurli nelle cellule biologiche. Le applicazioni includono vaccini, terapia cellulare e veicoli per la somministrazione di farmaci.