Sapere Scienza

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La geometria dei virus: nuove soluzioni per descriverne la struttura

2 Ottobre 2019

Nello studio dei virus anche la conoscenza della loro struttura riveste un ruolo nella comprensione del loro funzionamento e della loro evoluzione. Fino a oggi c'era qualcosa nella geometria di queste forme parassitarie che sfuggiva agli scienziati: non tutte erano descrivibili con i modelli a disposizione. In un articolo pubblicato su Nature Communications alcuni ricercatori hanno descritto, con l'aiuto della matematica, un nuovo modo per classificare l'architettura di queste entità biologiche.

 

La struttura dei virus: una geometria vincente

 

Cos'è un virus? Un virus può essere definito come un organismo di dimensioni submicroscopiche e di natura non cellulare, costituito da un acido nucleico rivestito da un involucro, il capside, fatto di proteine. Queste forme biologiche non sono capaci di eseguire funzioni metaboliche e di riprodursi autonomamente: è per questo che, per svilupparsi e moltiplicarsi, hanno bisogno di introdursi in cellule di ospiti – animali, piante, funghi o batteri. Sono parassiti intracellulari obbligati.
Il virus conserva e protegge il proprio materiale genetico nel capside che può variare in dimensioni e complessità della struttura, poliedri che devono garantire efficienza e stabilità.

 

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Architetture non del tutto spiegabili
 

Questi poliedri hanno dimensioni comprese tra i 20 e gli 800 nanometri e sono costituiti da un numero di proteine di rivestimento che può variare da poche dozzine a migliaia. La maggior parte dei virus adotta una struttura con simmetria icosaedrica: una struttura tridimensionale avente 20 facce triangolari, 12 vertici e tre assi di simmetria. In pratica è come un dado con 20 facce, di quelli che possono essere utilizzati nei giochi di ruolo.
Come sono posizionate le proteine in contenitori progettati in questo modo? Per più di cinquant'anni gli scienziati hanno seguito due teorie. La prima è il principio di economia genetica di Crick e Watson, la capacità limitata di codificare per le proteine di rivestimento che formano il capside, favorendo architetture simmetriche per ridurre i "costi" di codifica pur ottenendo un contenitore con volume sufficiente per conservare il materiale genetico. La seconda è il principio di quasi-equivalenza di Caspar e Klug, che spiega come le proteine possano disporsi in posizioni localmente equivalenti o quasi-equivalenti, ripetendo questo assetto locale lungo la superficie del capside. Come spiegato nell'articolo pubblicato su Nature Communications, tutto questo permette ai virus di formarsi, adoperando piccole porzioni di sequenza genomica per codificare per la struttura del capside e utilizzando così il resto del materiale genetico a disposizione per altre componenti, non presenti in virus di dimensioni più ridotte e che rendano possibili scenari infettivi più complessi.
C'è però qualcosa che non torna. Le immagini ad alta risoluzione di virus ottenute negli ultimi anni hanno mostrato che molte strutture non seguono i principi appena descritti.
I ricercatori dell'Università di York e della San Diego State University hanno elaborato una nuova teoria in grado di prevedere accuratamente la posizione delle proteine nei capsidi di struttura icosaedrica. Questa nuova spiegazione funziona contemporaneamente per virus che seguono il principio di Caspar e Klug e per quelli che sino a ora non rientravano perfettamente nei precedenti modelli.

 

Applicazioni: dalle biotecnologie alla costruzione di edifici

 

Le applicazioni di questa scoperta hanno una vasta area di azione. Reidun Twarock, coautore del lavoro, ha spiegato: "Il nostro studio rappresenta un salto quantico in avanti nel campo della virologia strutturale e colma le lacune nella nostra comprensione delle strutture di molti virus che sono mal descritti dai framework precedenti. Questa teoria aiuterà gli scienziati ad analizzare le proprietà fisiche dei virus, come la loro stabilità, che è importante per capire meglio i meccanismi di infezione. Questa visione può quindi essere sfruttata per sviluppare nuove strategie antivirali".
Le nuove geometrie, inoltre, potrebbero essere impiegate nella progettazione architettonica per edifici e altri tipi di costruzioni.

 

L'influenza è causata da un virus. Desiderate saperne di più? Acquistate e leggete l'articolo di Mauro Delogu e Claudia Cotti, "Influenza: storia naturale di un virus trasformista", pubblicato nel numero di giugno 2015 di Sapere.

 

Credits immagine: Prof Reidun Twarock, University of York

copertina   settembre-ottobre 2019

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