How a Virus Circumvents Energy Barriers to Form Symmetric Shells

二十面体对称 成核 衣壳 内在无序蛋白质 化学物理 结晶学 生物物理学 核蛋白 散射 能源景观 纳米团簇 化学 材料科学 物理 纳米技术 生物 病毒 有机化学 生物化学 病毒学 光学
作者
Sanaz Panahandeh,Siyu Li,Laurent Marichal,Rafael Leite Rubim,Guillaume Tresset,Roya Zandi
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:14 (3): 3170-3180 被引量:48
标识
DOI:10.1021/acsnano.9b08354
摘要

Previous self-assembly experiments on a model icosahedral plant virus have shown that, under physiological conditions, capsid proteins initially bind to the genome through an en masse mechanism and form nucleoprotein complexes in a disordered state, which raises the question as to how virions are assembled into a highly ordered structure in the host cell. Using small-angle X-ray scattering, we find out that a disorder–order transition occurs under physiological conditions upon an increase in capsid protein concentrations. Our cryo-transmission electron microscopy reveals closed spherical shells containing in vitro transcribed viral RNA even at pH 7.5, in marked contrast with the previous observations. We use Monte Carlo simulations to explain this disorder–order transition and find that, as the shell grows, the structures of disordered intermediates in which the distribution of pentamers does not belong to the icosahedral subgroups become energetically so unfavorable that the caps can easily dissociate and reassemble, overcoming the energy barriers for the formation of perfect icosahedral shells. In addition, we monitor the growth of capsids under the condition that the nucleation and growth is the dominant pathway and show that the key for the disorder–order transition in both en masse and nucleation and growth pathways lies in the strength of elastic energy compared to the other forces in the system including protein–protein interactions and the chemical potential of free subunits. Our findings explain, at least in part, why perfect virions with icosahedral order form under different conditions including physiological ones.
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