Tesis doctoral de Antoni Luque Santolaria
Los virus son entidades biológicas fascinantes, que, en su forma más esencial, están constituidos por una cubierta de proteínas (la cápside) que encierra y protege en su interior el material genético infectivo (adn o arn). A pesar de su relativa simplicidad, la selección natural ha dotado a los virus de estrategias eficientes para autoensamblar la cápside, y encapsular y liberar el genoma viral, que les permiten infectar a células huésped en pro de poderse replicar. Dado que las partículas virales no tienen metabolismo, los virus deben recurrir a principios físicos generales para llevar a cabo las diferentes etapas de su ciclo natural. Por ejemplo, las cápsides se autoensamblan espontáneamente a partir de múltiples copias de una o varias proteínas, y dan lugar a estructuras bien definidas de dimensiones nanométricas, que son capaces de tolerar condiciones extremas, y de resistir presiones internas de decenas de atmósferas. Todas estas propiedades inusuales hacen que los virus sean interesantes no sólo desde el punto de vista biomédico e inmunológico, sinó también como plataforma para desarrollar aplicaciones nanotecnológicas sorprendentes. en esta tesis hemos investigado los mecanismos físicos involucrados en la formación y estabilidad de las cápsides virales. El trabajo se ha dividido en tres grandes bloques, dedicados al análisis de la estructura, las propiedades mecánicas y el autoensamblaje de las cápsides, respectivamente. En cada caso hemos tratado de desarrollar marcos teóricos generales para entender los diferentes fenómenos, estableciendo las bases para futuras investigaciones. Hemos puesto especial énfasis en complementar estas teorías mediante simulaciones, y en aplicar e interpretar los resultados a la luz de la información experimental disponible. comentamos a continuación los resultados principales, así como las conclusiones más relevantes, obtenidos en cada parte de la tesis. en el bloque de estructura hemos propuesto una nueva clasificación estructural de los virus, basada en una teoría geométrica que describe y caracteriza, bajo el mismo marco, las cápsides esféricas y baciliformes basadas en las simetrías icosaédricas. Hemos puesto de manifiesto que las arquitecturas posibles de los virus elongados están controladas por unas precisas reglas de selección en cuanto al número de proteínas, longitudes y radios que pueden adoptar. La existencia de estas estructuras y sus reglas de selección predichas teóricamente han sido confirmadas mediante la simulación de un modelo físico sencillo, que es capaz de reproducir estructuras virales que se observan in vivo e in vitro. Así, los resultados de nuestro estudio permiten predecir la estructura de virus, así como guiar el diseño de cápsides víricas artificiales con las propiedades geométricas deseadas. en el segundo bloque, dedicado al análisis de las propiedades mecánicas, hemos estudiado la influencia de la morfología y la composición de las cápsides en el proceso de maduración de las partículas virales cuasi-esféricas. Hemos comparado las ventajas energéticas y mecánicas asociadas a adoptar una estructura icosaédrica con forma esférica o poliédrica. Las principales conclusiones son que la distribución de proteínas de la cubierta juega un papel importante en la respuesta mecánica de la cápside, y que la adopción de una forma poliédrica presenta ciertas ventajas mecánicas, pudiendo ser particularmente favorable para virus de adn de doble cadena, que suelen estar presurizados. Además, en colaboración con un grupo experimental, hemos caracterizado las sorprendentes propiedades elásticas anisótropas de un virus baciliforme: el bacteriófago phi29. Así hemos desvelado un mecanismo de reforzamiento basado en la existencia de pre-estrés, o estrés adquirido, que podría ayudar a la procápside viral a resistir el subsecuente empaquetamiento de adn a altas densidades, así como facilitar su posterior proceso de inyección en la bacteria. finalmente, en el bloque de autoensamblaje, hemos mostrado que la formación de las cápsides víricas, a pesar de ser espontánea, es realmente un proceso activado dominado por una barrera energética, que depende tanto de la concentración de subunidades proteicas libres, como de su energía de interacción. También hemos puesto de manifiesto que dicho fenómeno de ensamblaje se asimila a una transición de fase, cuyos aspectos cinéticos y termodinámicos pueden ser descritos adecuadamente mediante la teoría clásica de la nucleación. En este marco, hemos justificado el origen de la histéresis, que se observa experimentalmente en comparar las condiciones de asociación y disociación de las cápsides, y su importancia biológica. Los principios básicos de la teoría han sido confirmados mediante la simulación del ensamblaje de cápsides, usando el modelo físico introducido en los bloques anteriores. Además hemos caracterizado un mecanismo inesperado de cierre de las cápsides, que tiene lugar de manera espontánea al final del proceso de ensamblaje. la comprensión de los mecanismos físicos generales, que subyacen tras los detalles biológicos específicos correspondientes a cada especie viral, y que son comunes a todos los virus, puede conducir al desarrollo de nuevas estrategias antivirales de amplio espectro. Además, este conocimiento también abre las puertas tanto del diseño de nanocontenedores víricos artificiales, como del control sobre la encapsulación y liberación de cargas de todo tipo, aspectos que son esenciales para el desarrollo de futuras aplicaciones biotecnológicas.
Datos académicos de la tesis doctoral «Structure, mechanical properties, and self-assembly of viral capsids«
- Título de la tesis: Structure, mechanical properties, and self-assembly of viral capsids
- Autor: Antoni Luque Santolaria
- Universidad: Barcelona
- Fecha de lectura de la tesis: 08/06/2011
Dirección y tribunal
- Director de la tesis
- David Reguera López
- Tribunal
- Presidente del tribunal: jose Lopez carrascosa
- ignacio Fita rodriguez (vocal)
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