VIRAL SELF-ASSEMBLY

From quantamagazine

VIRAL, SELF-ASSEMBLY

We have always been intrigued by the varied viral geometrical shapes, their location and meaning in the general context of living organic forms. Perhaps, the viruses are potential life, frustrous organic life or remains of organic life. Having been the ancestral viruses -for sure- extremely fragile -because of the second law of thermodynamics- it is logical to think that their old string of RNA or DNA, needed protective covers, as close as possible to microspheres in order to protect its genomic material and facilitate its insertion in host cells. As these small strings of ancestral RNA could not code spheres, it was opted for codes to form serial triangles, pentagons or hexagons, more affordable to be formed by organic elements, which after tessellation formed capsids like spheres. Fact that worked well until the formation of icosahedron viral capsids (20 faces), effective protectors of genomes with short RNAs, but not for viruses with larger RNA strings, as in the case of cancer-inducing viruses (polyomas, papillomas), with need for perfect tessellations and more complex and sophisticated geometric pairings. And so, as the Riemann mathematics helped Einstein understand that a geodesic is the shortest line in space, the construction of viral capsids using geometric shapes turned out to be also the simplest way to build effective genomic protective covers, capable of functioning and evolve according to circumstances. It must be understood -as several scientists have pointed out- that life is an emergent form of the evolution of matter, given certain environmental conditions. In a more mental tan practical work, which involves: mathematics-biology-mathematics, English scientists: Reidun Twarock (University of York/England) and Peter Stockley (University of Leeds), applied mathematical principles: geometry, Hamilton way, Penrose tilings, to understand RNA encodings, viral capsid formation, evolution and functioning of viruses, works that could open to the   english researchers the doors to a future Nobel Prize. Building on previous work by Watson, Crick, Franklin, Penrose Caspar-Klug and others, Twarock and Stockley have outlined the: a-Possibility of creating new and more effective antivirals and, b-Immunize millions of people against hundreds of viral diseases. After understanding Twarock, that mathematics would allow them to understand how viruses with larger RNA or DNA (polyoma and papilloma) produce effective capsids, she resorted to the use of group theory and discrete mathematics,  identifying first the positions of the protein subunits of the capsid of the human papilloma virus ordered in pentagonal structures like the Penrose tiles that do not repeat periodically, produce large RNA strings and leave no spaces when 2 subunits are joined. According to Twarock, there are remnants of that ancestral order in simple viral genomes. The scientist says that the viral genomic material plays a very active role in the formation of capsids, mentioning with emphasis the signals of viral packaging (contact areas of the walls of the capsid with the genome), which help the viral assembly, the same ones that are located according to the guidelines of the Hamilton way and whose current identification would certify the conservation of a primitive genomic organization. The viral packaging signals allow a protein to adhere to them, to which other proteins will later adhere forming orderly pathways that never repeat themselves (Hamilton way). The attack with antivirals to these signals would prevent the formation of capsids. For his part, Peter Stockley, tries to create stable non-infectious immunogens: vaccines able to induce the formation of antibodies without producing side effects. Twarock tries to use the viral packaging signals and the subsequent self-assembly to make synthetic RNA and viruses, unable to replicate, but generating an immune response.

AUTOENSAMBLAJE, VIRAL

Siempre nos han intrigado las variadas formas geometricas virales y su ubicación y significado en el contexto general de las formas organicas vivientes. Quizas, los virus sean vida potencial, ensayos frustros o restos de formas organicas de vida. Habiendo sido los virus ancestrales -con seguridad- extremadamente frágiles -en razón de la segunda ley de la termodinámica- es lógico pensar que sus antiguas cuerdas cortas de RNA o DNA, necesitasen cubiertas protectoras semejantes, lo mas cercanamente posibles a microesferas a fin de proteger su material genómico y facilitar su inserción en celulas huésped.  Como estas pequeñas cuerdas de RNA ancestral no podían codificar esferas, optaron por  codigos para formar triangulos, pentágonos o hexágonos en serie -mas asequibles a ser formadas por elementos organicos-  los que tras teselarse formaron cápsides semejantes a esferas. Hecho que funciono bien hasta la formación de cápsides virales icosahedricas (20 caras), protectoras eficaces de genomas con RNA cortos, pero no para virus con cuerdas de RNA, mas grandes, como el caso de  virus inductores de cáncer (poliomas, papilomas), con necesidad de teselados perfectos y emparejamientos geométricos mas   complejos y sofisticados. Y asi, como las matematicas de Riemann ayudaron a Einstein a entender que una geodésica es la línea mas corta en el espacio, la construcción de cápsides virales empleando formas geométricas resulto ser también la forma mas simple de construir cubiertas protectoras genómicas eficaces, capaces de funcionar y evolucionar de acuerdo a las circunstancias.  Debe entenderse -como lo han señalado varios científicos- que la la vida es una forma emergente de la evolucion de la materia, dadas ciertas condiciones medioambientales. En un trabajo mas mental que practico, que involucra:  matemática-biología-matematica, los científicos ingleses:  Reidun Twarock (University of York/England) y Peter Stockley (University of Leeds), aplican  principios matemáticos: geometría, algoritmos de Hamilton, geometría de Penrose, para comprender las codificaciones de RNA, formación de cápsides virales, evolución y funcionamiento de los virus, trabajos que podrían abrirles las puertas a un futuro Premio Nobel. Apoyandose en trabajos previos de Watson, Crick, Franklin, Penrose Caspar-Klug y otros, Twarock y Stockley han esbozado la: a-Posibilidad de crear nuevos y mas eficaces antivirales y, b-Inmunizar a millones de personas contra cientos de enfermedades virales. Tras entender Twarock, que las matematicas les permitirían  entender como virus con RNA o DNA mas grandes (polioma y papiloma), producen  cápsides eficaces, recurrio al empleo de la teoría de grupos y matematicas discretas, identificando primero las posiciones de las subunidades proteicas de la cápside del virus del papiloma humano ordenado en estructuras pentagonales al modo de las losetas de Penrose que no se repiten periódicamente, producen grandes cuerdas de RNA  y  no dejan espacios cuando se unen 2 subunidades. Según Twarock, existen remanentes de de ese orden ancestral en genomas virales simples.  La científica, afirma que el material genómico viral juega un rol muy activo en la formación de cápsides, mencionando con énfasis a las señales de empaquetamiento viral (áreas de contacto de las paredes de la cápside con el genoma), que ayudan al ensamblaje viral, las mismas que se ubican según  los lineamientos  de la via de  Hamilton y cuya identificación actual certificaria la conservación de una  organización genómica primitiva. Las señales de empaquetamiento viral permiten que una proteína se adhiera a ellas, a la que posteriormente se adherirán otras proteínas formando vías ordenadas que nunca se repiten (Via de Hamilton). El ataque con antivirales a estas señales impediría la formación de capsides.  Por su lado, Peter Stockley, intenta crear   inmunógenos estables no infecciosos: vacunas capaces de inducir la   formación de anticuerpos sin producir efectos colaterales. Twarock intenta emplear las señales de empaquetamiento viral y el subsecuente autoensamblaje para fabricar virus y RNA sintéticos, incapaces de replicarse, pero generando una respuesta inmune.