Атомы картинки: Картинки атом (50 фото) • Прикольные картинки и позитив |

Содержание

Что удерживает ядра атомов? / Хабр

Теперь, когда нам известно, что ядро атома крохотное, у нас появляется очевидный вопрос: а почему оно такое маленькое? Атомы состоят из крохотных частиц, но по размеру они гораздо больше этих частиц. Мы уже разбирались, почему так происходит. Но при этом ядра не сильно отличаются по размеру от протонов и нейтронов, из которых они состоят. Есть ли тому причина, или это совпадение?

Мы уже знаем, что атомы удерживают электрические силы. Какие же силы удерживают ядро атома?

И тут мы вступаем на новую территорию, сильно отличающуюся от того, что мы изучали ранее – поскольку становится очевидным, что здесь работает сила, которую мы ещё не обсуждали.

Рис. 1: противодействующие силы в ядре атома – электрическое отталкивание протонов и остаточное сильное ядерное взаимодействие протонов и нейтронов

Остаточное сильное ядерное взаимодействие

Если бы в природе существовали только гравитационное и электрическое взаимодействие, с которыми мы сталкиваемся в повседневной жизни, ядра с множеством протонов просто разлетелись бы: электрические силы, расталкивающие протоны друг от друга, в миллион миллионов миллионов раз превосходили бы их гравитационное притяжение. Так что должна существовать другая сила, обеспечивающая притяжение, пересиливающее электрическое отталкивание. Эта сила – сильное ядерное взаимодействие – хотя в самом ядре можно наблюдать лишь тень её истинного величия. Изучив структуру самих протонов и нейтронов, мы поймём истинные возможности сильного ядерного взаимодействия. А в ядре мы встречаем лишь то, что часто называют «остаточным взаимодействием» – а я буду называть его «остаточное сильное ядерное взаимодействие». Иногда этот термин не используется – его просто называют сильным ядерным взаимодействием, но такое различие делать полезно.

Предупреждение: в итоге получается, что хотя в целом сильное ядерное взаимодействие – сила, действующая между частицами (кварками, глюонами, антикварками) внутри протона или нейтрона – достаточно проста, в каком-то смысле, остаточное сильное ядерное взаимодействие является сложным остатком различных взаимно уничтожающихся эффектов, в связи с чем не существует простой картинки, описывающей всю физику ядра. И это не удивительно, учитывая внутреннюю сложность строения протонов и нейтронов. Тут можно провести некую аналогию между атомами и молекулами.

В атоме крохотное ядро и ещё меньшие по размеру электроны расположены далеко друг от друга по отношению к их размерам, и электрические силы, удерживающие их в атоме, просты. Но в молекулах расстояние между атомами сравнимо с размером атомов, поэтому внутренняя сложность атомов начинает играть роль. Разнообразие и сложные наборы частично компенсирующих друг друга электрических сил, и процессы, в которых электроны способны передвигаться между атомами, делают историю молекул гораздо богаче и сложнее, чем у атомов. Так же расстояние между протонами и нейтронами в ядре сравнимо с их размером – поэтому, как и с молекулами, силы, удерживающие атомные ядра, оказываются гораздо сложнее (в определённых смыслах) сил, удерживающих протоны или нейтроны.

После изучения структуры протонов и нейтронов, эта история станет (немного) проясняться. Базовые свойства ядерной физики вполне ясны, но эта тема остаётся чрезвычайно технической, и многие детали всё ещё исследуют. Я не смогу как следует описать её в этой статье, в частности потому, что я недостаточно хорошо разбираюсь в этой теме, чтобы удобно её упростить для вас.

Рис. 2: легчайшие из стабильных и почти стабильных ядер, вместе с нейтроном. Нейтрон и тритий показаны пунктиром, поскольку они в итоге распадаются. Голубым цветом указаны альтернативные названия.

Схема работы

Посмотрим, что можно узнать, исходя из простых рассуждений о работе этой силы. Одна из подсказок – все ядра, за исключением самого распространённого изотопа водорода (один протон) содержат нейтроны; то есть не бывает ядер с несколькими протонами и без нейтронов (рис. 2). Так что явно нейтроны играют важную роль в том, чтобы помогать протонам держаться вместе.

И наоборот, не бывает ядер, состоящих из одних нейтронов; в самых лёгких ядрах, например, в кислороде или кремнии, примерно столько же нейтронов, сколько протонов (рис. 2). В более крупных и массивных ядрах, например, золота и радия, чуть больше нейтронов, чем протонов (рис. 3). Из этого следуют две вещи:

Чтобы протоны держались вместе, необходимы нейтроны, а чтобы нейтроны держались вместе, необходимы протоны.

Если количество протонов и нейтронов становится очень большим, тогда электрическое отталкивание протонов нужно компенсировать добавлением нескольких дополнительных нейтронов.

Иллюстрация последнего утверждения представлена на рис. 3, где показаны стабильные (чёрный) и относительно долгоживущие, но нестабильные (цветные) ядра, в виде графика зависимости количества протонов Z от количества нейтронов N, содержащихся в них. Обратите внимание, что у стабильных ядер Z и N примерно равны при малых значениях, но N постепенно становится больше, чем Z, с их увеличением. Также обратите внимание, что полоса стабильных и долгоживущих ядер остаётся довольно узкой для всех значений Z. Несмотря на потрясающий прогресс ядерной физики за последние 80 лет не существует общепризнанного и простого объяснения этого примечательного факта. Я думаю, его считают странным совпадением.

Рис. 3

Размер ядра

Одна из главных целей этой статьи – объяснить, почему ядра атомов малы по сравнению с размером атома. Для этого начнём с простейшего ядра, содержащего протоны и нейтроны – со второго по распространённости изотопа водорода, состоящего из одного электрона (как и все изотопы водорода) и ядра, состоящего из протона и нейтрона. Этот изотоп часто называют дейтерием, а ядро дейтерия (см. рис. 2) иногда называют дейтроном. Как понять, что удерживает дейтрон? Мы можем наивно предположить, что эта система не отличается от атома водорода, также содержащего две частицы (протон и электрон) – см. рис. 4.

Как мы видели в предыдущей статье, то, что масса электронов мала по сравнению с протонами и нейтронами, гарантирует, что:

Масса атома практически равна массе его ядра,

Размер атома (размер электронного облака) обратно пропорционален массе электрона и обратно пропорционален силе электромагнитного взаимодействия; принцип неопределённости квантовой механики играет тут критическую роль.

Что насчёт дейтрона? Он сходным образом состоит из двух объектов, но почти равной массы (масса нейтрона и протона отличается всего на 1/1500, по причинам, которые мы поймём позже), поэтому оба они одинаково важны в определении массы и размера дейтрона. Допустим, у нас была бы новая сила, притягивающая протон к нейтрону, похожая на электромагнитную (на самом деле всё не так, но просто представьте): тогда, по аналогии с водородом, мы бы ожидали, что размер дейтрона будет обратно пропорциональным массе протона или нейтрона, и обратно пропорционален силе нового взаимодействия. Если бы это взаимодействие было таким же сильным, на определённом расстоянии, как электромагнетизм, это означало бы, что, поскольку протон примерно в 1850 раз тяжелее электрона, что дейтрон (и любое ядро) должно быть по меньшей мере в 1000 раз меньше водорода.

Но мы уже догадались, что остаточное сильное взаимодействие сильнее электромагнетизма на таком же расстоянии – поскольку иначе оно не могло бы предотвратить электромагнитное отталкивание протонов, которые разорвали бы ядро. Так что эта дополнительная сила будет стягивать протоны и нейтроны вместе ещё плотнее. Поэтому неудивительно, что дейтрон и другие ядра не просто в тысячу, но в десятки тысяч раз меньше атомов! Повторю, это всё потому, что:

Протоны и нейтроны почти в 2000 раз тяжелее электронов,

На таких расстояниях сильное ядерное взаимодействие между протонами и нейтронами ядра во много раз сильнее, чем соответствующие электромагнитные силы (включая электромагнитное отталкивание протонов в ядре).

Эта наивная догадка привела нас к почти правильному ответу! Но она не полностью описывает всю сложность взаимодействий между протоном и нейтроном в дейтерии. Одна очевидная проблема – сила, похожая на электромагнетизм, но большая по мощности, очевидно, повлияла бы на повседневную жизнь, а мы ничего такого не наблюдаем. Так что что-то у этого взаимодействия должно отличаться от электрического.

Рис. 4

Малое расстояния действия этой силы

Отличается то, что это остаточное сильное ядерное взаимодействие очень важное и мощное для протонов и нейтронов, расположенных совсем недалеко друг от друга, но на достаточно больших расстояниях (на дистанции действия силы) она начинает очень быстро уменьшаться, гораздо быстрее электромагнитной. Дистанция – по какому-то совпадению – оказывается равной размеру относительно большого ядра, всего в несколько раз больше протона. Если свести протон и нейтрон вместе, на расстояние, сравнимое с этой дистанцией, они притянутся друг к другу и сформируют дейтрон. Если оставить их на большем расстоянии, они вообще почти не почувствуют притяжения. А если свести их очень близко вместе, так, чтобы они накладывались друг на друга, они начнут отталкиваться; чёрт, я предупреждал вас, что остаточное сильное ядерное взаимодействие очень сложное! Короче говоря:

Остаточное сильное ядерное взаимодействие гораздо, гораздо слабее электромагнетизма на расстояниях гораздо больших размера типичного ядра, так что мы не встречаем его в повседневной жизни.

На коротких расстояниях, сравнимых с ядром, оно становится гораздо сильнее – это притяжение (на не слишком малых дистанциях) способно превзойти электрическое отталкивание других протонов.

Более крупные ядра удерживаются более-менее тем же взаимодействием, что удерживает дейтрон, но детали этого процесса сложные и технические, и их нелегко описать. Да их и не до конца ещё понимают. Хотя общие контуры физики ядра хорошо понимают уже много десятилетий, многие важные детали всё ещё исследуют.

Картинки атомы на рабочий стол

азиаты
азиаты
азиаты
азиаты
азиаты
азиаты
азиаты
азиаты
азиаты
азиаты
азиаты
азиаты
красивые
красивые
красивые
красивые
красивые
красивые
красивые
красивые
красивые
красивые
красивые
красивые
новый год
новый год
музей
музей
природа
природа
Природа
Природа
29
103
двое танец
двое танец
природа
природа
природа
природа
азиаты
азиаты
азиаты
азиаты
азиаты
азиаты
азиаты
азиаты
азиаты
азиаты

отчетов и изображений | ОлексСис

атом-метки
картинки

Каждое определение структуры требует отчетов и изображений. Вот как их получить с помощью Olex2

Инструменты для создания изображений доступны по адресу Tools|Images .

Маркировка атомов

Метки можно размещать либо на атомах, либо на связях (или на их комбинации).

Если атомы (или связи) не выбраны, будут помечены все атомы и связи. Нажатие не-H атомов пометит все не-водородные атомы. Если показаны атомы, эквивалентные симметрии, их метка симметрии будет напечатана в соответствии с параметрами Symm и Style .
Метки можно перемещать индивидуально или группами, удерживая нажатой клавишу SHIFT и ЛЕВУЮ кнопку МЫШИ и перемещая мышь.

Удаление этикеток

Метки можно удалить:

По отдельности, выбрав метку атома ЛЕВОЙ кнопкой мыши и нажав УДАЛИТЬ .
Дважды щелкните любую метку, чтобы выбрать их все, затем нажмите УДАЛИТЬ .

Имеется два независимых набора этикеток. Встроенные метки (переключаются с помощью F3 и под Work|Toolbox-Work ), а затем те, к которым обращаются из Tools|Images . Эти метки изображений могут быть расположены с SHIFT + ЛЕВАЯ МЫШЬ. Встроенные метки полезны, если вы хотите увидеть все имена атомов, но пометить только несколько атомов.

Генерация рисунков

Различные параметры для создания рисунков доступны в View|Quick-Drawing-Styles и Tools|Images . Изображения создаются из молекул или фрагментов, отображаемых на графическом экране, и могут иметь как выращенную, так и не выращенную структуру.

Создание и сохранение изображений

Olex2 предлагает несколько различных форматов файлов для сохранения изображений, они находятся в разделе Tools|Images . Имя для изображения структуры можно ввести в белое поле. Существуют варианты, чтобы указать, что произойдет, если файл изображения уже существует , по умолчанию используется значение Спросить , но также можно выбрать Увеличить или Заменить из раскрывающегося меню. Доступен ряд других опций:

Метка выбрана — пометит все выбранные атомы и/или связи. Если ничего не выбрано, то будут помечены все связи и атомы.
Не-H атомы — помечает все атомы, которые не являются водородами.
УДАЛИТЬ все метки — удаляет все показанные метки.
Выберите цвет этикетки и Ящик для этикеток — позволяет настроить этикетки и ящик для этикеток, изменив их цвет, прозрачность и т. д.
Выравнивание — Нажатие на View покажет структуру с наибольшим количеством атомов, видимых на экране. Нажав на Плоскость , вы увидите вид с лучшей плоскостью сквозь конструкцию.
Заблокировать все — установка этого флажка блокирует структуру, поэтому ее нельзя масштабировать, поворачивать или перемещать. Если снять любой из флажков, функция будет переустановлена.

В разделе Инструменты|Изображения :

Растровые изображения

Перейти

При выборе Обрезка изображение будет обрезано в зависимости от выбранного Отступа (большее отступ означает большее расстояние между структурой и краем обрезки в конечном изображении).
Существует возможность добавить Рамку и настроить ее Цвет . Щелкните Добавить туман , чтобы изменить определение структуры и использовать Спереди и Сзади ползунки для настройки. Clear Fog удалит эффект тумана и вернет нормальное изображение.
Существует также возможность изменить шрифты этикеток Atom ( Atom Label Font (Olex2) ) и Bond ( Bond Label Font (Olex2) ) из сохраненного файла. Щелкнув System Font , можно выбрать различные шрифты.

Изображения постскриптума — создает изображение постскриптума в стиле ORTEP. Нажмите Нажмите , чтобы создать образ. Существует множество вариантов редактирования изображения, в том числе:
- Атомы : Измените ширину контура.
- Октант : Укажите количество разделителей в нарисованном октанте.
- Шрифты и Bond Font : Измените стили шрифтов для этикеток.
Povray Images — Olex2 записывает файл .pov для изображения. Нажмите Перейти , чтобы создать образ. Обратите внимание, что любые дальнейшие изменения необходимо вносить с помощью программного обеспечения PovRay.
Серия изображений — создает серию изображений для фильма. Существуют варианты изменения вращения вокруг оси , количества градусов поворота между каждым изображением, количества кадров и размера . Нажмите Перейти , чтобы создать образ.

Изменение стиля отображения атомов

Для изменения внешнего вида атомов во время уточнения применяются те же параметры отображения, что и для создания изображений. Их можно найти под Вид|Стили быстрого рисования . Либо щелкните правой кнопкой мыши окно графического дисплея и в разделе Draw Style выберите нужный внешний вид.

При выводе рисунков могут быть приняты соглашения об ожидаемых форматах, например. для низкомолекулярных органических и металлоорганических соединений характерен эллипсовидный график с атомами углерода серого цвета, кислорода красного. В таких случаях рекомендуется следовать соглашению. В других ситуациях внешний вид фигур может зависеть от личных предпочтений.

Написание отчета или CIF

Olex2 генерирует как отчет, содержащий кристаллографическую информацию в табличном формате, характерном для бумаги, так и стандартный CIF, используя значения, контролируемые пользователем. Параметры, доступные в разделе Work|Report , говорят сами за себя, поэтому этот раздел здесь подробно не рассматривается.

Обнародованный коронавирус: микроскопические изображения SARS-CoV-2

В феврале, когда новый коронавирус пронесся по Китаю и закрыл целые города, ученый по имени Сай Ли решил нарисовать его портрет.

В то время лучшие снимки, которые кому-либо удавалось сделать, были изображениями с низким разрешением, на которых вирус выглядел как едва различимое пятно.

Доктор Ли, структурный биолог из Университета Цинхуа в Пекине, объединила усилия с вирусологами, которые выращивали вирус в лаборатории биобезопасности в городе Ханчжоу. Эти исследователи облили вирусы химическими веществами, чтобы обезвредить их, а затем отправили их доктору Ли.

Затем доктор Ли и его коллеги сконцентрировали содержащую вирус жидкость с литра до одной капли. Он мог только надеяться, что они сделали все правильно, так что недели работы над этой каплей не были напрасными.

«В то время вы не знаете, что внутри», — сказал доктор Ли. — Это просто жидкость, да?

Взгляд на структуру

Доктор Ли осторожно заморозил каплю за долю секунды. Если бы он сделал малейшую ошибку, кристаллы льда могли бы проткнуть вирусы, разорвав их на части.

Надеясь на лучшее, доктор Ли поместил кусочек льда в криоэлектронный микроскоп. Устройство выпустило пучки электронов на образец. Когда они отскакивали от атомов внутри, компьютер доктора Ли реконструировал то, что видел микроскоп. Когда картина сложилась, он был ошеломлен.

«Я увидел экран, полный вирусов, — вспоминает доктор Ли.

Криоэлектронная томография вирусов SARS-CoV-2, выделенная серым цветом, с компьютерной реконструкцией одного вируса. Сай Ли, Школа наук о жизни Университета Цинхуа

Он мог видеть тысячи коронавирусов, упакованных во льду, как мармеладки в банке. Они были прекрасно целы, что позволяло ему детально изучить вирусы размером менее миллионной доли дюйма.

«Я думал, что был первым парнем в мире, увидевшим вирус в таком хорошем разрешении», — вспоминает доктор Ли.

В течение следующих недель доктор Ли и его коллеги корпели над вирусами. Они изучили белки, усеивающие его поверхность, и нырнули в его сердцевину, где цепочка генов вируса была свернута белками. Картины напомнили доктору Ли яйца в гнезде.

Компьютерная реконструкция, наложенная на изображение нескольких вирусов SARS-CoV-2. Сай Ли, Школа наук о жизни Университета Цинхуа

Благодаря работе таких ученых, как доктор Ли, новый коронавирус, известный как SARS-CoV-2, больше не является шифром. Они познали его в интимных, элементарных подробностях. Они обнаружили, как он использует некоторые из своих белков, чтобы проникнуть в клетки, и как его тесно переплетенные гены управляют нашей биохимией. Они наблюдали, как некоторые вирусные белки бросают ключи в наши клеточные фабрики, в то время как другие строят рассадники для производства новых вирусов. И некоторые исследователи используют суперкомпьютеры для создания полных виртуальных вирусов, которые они надеются использовать, чтобы понять, как настоящие вирусы распространяются с такой разрушительной легкостью.

«Это время не похоже ни на что, с чем сталкивался любой из нас, просто с точки зрения бомбардировки данных», — сказал Ромми Амаро, вычислительный биолог из Калифорнийского университета в Сан-Диего.

Зондирование шипа

Ранее в этом году доктор Амаро и другие исследователи уделили большое внимание белкам, называемым шипами, которые усеивают поверхность вируса. Спайковые белки выполняют важную работу: они прикрепляются к клеткам в наших дыхательных путях, чтобы вирус мог проникнуть внутрь. Но вскоре стало ясно, что это имя неправильное. Белок шипа не острый, узкий или жесткий.

Каждый шиповидный белок сцепляется с двумя другими, образуя структуру, имеющую форму тюльпана. Длинный стебель прикрепляет белки к вирусу, а их верхушка выглядит как цветок, состоящий из трех частей.

Герхард Хаммер, вычислительный биофизик из Института биофизики Макса Планка, и его коллеги использовали метод замороженной микроскопии, чтобы сфотографировать спайковые белки, встроенные в мембрану вируса. Затем они рассчитали, как атомы в белках толкаются и притягиваются друг к другу. В результате получился молекулярный танец: шиповидные белки вращаются на трех шарнирах.

Моделирование четырех шиповидных белков, каждый из которых сгибается на трех шарнирах. Серен фон Бюлов, Матеуш Сикора и Герхард Хаммер, Институт биофизики Макса Планка

«Вы можете видеть, как эти цветы качаются под разными углами», — сказал доктор Хаммер. «Удивительно иметь такой длинный, тонкий стебель с такой гибкостью».

Сахарный щит

Доктор Хаммер предположил, что гибкость шипа была важна для успеха вируса. Смещаясь вокруг, шип увеличивает свои шансы встретить белок на поверхности наших клеток, который он использует для прикрепления.

Однако по мере того, как они перемещаются, шипы могут быть атакованы антителами, мощными солдатами нашей иммунной системы. Чтобы спрятаться, они создают щит из сахара. Молекулы сахара синего цвета внизу кружатся вокруг белков и скрывают их от антител.

Спайковый белок слева и защитное покрытие из сахаров справа. Лоренцо Казалино и Зиед Гайеб, Amaro Lab, UC. Сан Диего.

Небольшой крючок на конце белка шипа, выделенный голубым цветом внизу, иногда поднимается над сахарным щитком. Если он сталкивается с определенным белком на поверхности наших клеток, он запускает ряд реакций, которые позволяют вирусу сливаться с клеточной мембраной и внедрять свои гены.

Закрепление на рецепторе ACE2, выделенном желтым цветом, позволяет коронавирусу проникать в клетки человека. Лоренцо Казалино, Amaro Lab, UC. Сан Диего.

Запутанные петли

Гены нового коронавируса расположены на молекулярной цепи, называемой РНК. 10 января китайские исследователи опубликовали последовательность из 30 000 букв. Этот генетический текст хранит информацию, необходимую клетке для производства белков вируса.

Но геном — это больше, чем поваренная книга. Прядь скручивается в дьявольски сложный клубок. И этот клубок имеет решающее значение для эксплуатации вирусом наших клеток. «У вас гораздо больше информации, хранящейся в том, как она сформирована», — сказала Сильви Рускин, структурный биолог из Института Уайтхеда.

Доктор Рускин возглавил группу ученых, которые нанесли на карту эту форму. В лаборатории строгого режима в Бостонском университете ее коллеги заразили человеческие клетки вирусами и дали им время для создания тысяч новых нитей РНК. Пометив генетические буквы на нитях химическими веществами, доктор Роускин и ее коллеги смогли определить, как нить складывается сама по себе.

Небольшая часть генома коронавируса, показывающая, как он складывается в петли. Tammy C. T. Lan et al., bioRxiv

В некоторых местах он образовывал лишь короткие боковые петли. В других местах сотни букв РНК раздулись в большие кольца, с петлями, которые отрывались от них, и от них отходили новые петли. Сравнивая миллионы вирусных геномов, доктор Рускин и ее коллеги обнаружили места, где вирус переходит из одной формы в другую.

В настоящее время ряд исследователей внимательно изучают некоторые из этих регионов, чтобы выяснить, что они делают. Их исследования показывают, что эти узлы позволяют вирусу контролировать наши рибосомы, крошечные клеточные фабрики, которые выкачивают белки.

После того, как вирус проникает в человеческую клетку, наши рибосомы прикрепляются к нитям его РНК и скользят по ним, как автомобиль на американских горках по рельсам. Когда рибосомы проходят через генетические буквы, они строят белки с соответствующей структурой. Ученые подозревают, что петли РНК могут сбить автомобиль с американских горок с рельсов, а затем направить его в точку, находящуюся за тысячи позиций.

Другие петли заставляют рибосому немного двигаться назад, а затем снова двигаться вперед. Этот небольшой сбой может привести к тому, что вирус будет производить совершенно разные белки из одного и того же участка РНК.

Заклинивание машин

Вирусные белки, выделяющиеся из наших рибосом, расходятся по клетке веером, выполняя различные задачи. Один из них, Nsp1, помогает захватить контроль над нашим молекулярным механизмом.

Джозеф Пуглиси, структурный биолог из Стэнфорда, и его коллеги смешали белки Nsp1 и рибосомы в пробирках. Они обнаружили, что белки, выделенные розовым цветом внизу, аккуратно проникли в каналы внутри рибосом, где обычно помещалась РНК.

Рибосома с РНК, выделена синим цветом, и с Nsp1, выделена розовым. Кристофер Лапойнт, Медицинская школа Стэнфордского университета. Модели рибосом Анжелиты Симонетти и др., Cell Reports и Матиаса Томса и др., Science

Доктор Пуглиси подозревает, что Nsp1 не дает нашим клеткам вырабатывать собственные белки, особенно антивирусные белки, которые могут уничтожить вирус. Но это поднимает вопрос о том, как вирус производит свои собственные белки.

Одна из возможностей заключается в том, что «каким-то образом вирус просто усиливает свою способность производить белок», — сказал доктор Пуглизи. Время от времени Nsp1 выпадает из рибосом, и каким-то образом вирус лучше справляется с этой кратковременной возможностью. «Мы надеялись, что это будет что-то простое», — сказал он. «Но, как обычно в науке, это не так».

Капли и капли

Пока Nsp1 манипулирует рибосомами, другие вирусные белки заняты созданием новых вирусов. Полдюжины различных белков объединяются, чтобы создать новые копии вирусной РНК. Но по пути происходит нечто удивительное: вместе белки и РНК спонтанно превращаются в каплю, похожую на каплю в лавовой лампе.

Физикам давно известно, что молекулы в жидкости спонтанно образуют капли, если для этого существуют подходящие условия. «Это всего лишь заправка для салата», — сказала Эми Гладфелтер, клеточный биолог из Университета Северной Каролины.

Пара капель, состоящих из белков и РНК, сливаются вместе. Кристин Роден и Эми Гладфелтер, Университет Северной Каролины в Чапел-Хилл

Но только в последние годы биологи обнаружили, что наши клетки регулярно производят капли для своих целей. Они могут объединять определенные молекулы в высоких концентрациях для проведения специальных реакций, блокируя другие молекулы, которые не могут попасть в капли.

Ричард Янг, биолог из Института Уайтхеда, и его коллеги смешали белки SARS-CoV-2, которые вместе с молекулами РНК строят новую РНК. Когда молекулы собираются, они спонтанно образуют капли. Вирус, вероятно, получает те же преимущества, что и клетка, от этой стратегии.

Микроскопическое изображение капель, образованных белками SARS-CoV-2 и РНК. Элиот Коффи и Ричард Янг, Институт биомедицинских исследований Уайтхеда

Учитывая изощренность коронавируса во многих других отношениях, доктор Янг не был удивлен своим открытием. «Почему бы вирусам не использовать свойство материи?» он сказал.

Поры и туннели

Коронавирусы могут уговорить человеческие клетки сформировать новые камеры для размещения их генетического материала. Но когда Монтсеррат Барсена, микроскопист из Медицинского центра Лейденского университета в Нидерландах, осмотрела эти камеры, она была сбита с толку: казалось, что в мембранах нет отверстий, через которые РНК не могла бы проникнуть или выйти.

Недавно доктор Барсена и ее коллеги присмотрелись повнимательнее и обнаружили выход. Один из белков коронавируса, называемый Nsp3, сворачивается в туннель, который затем подключается к мембранам.

Новые нити РНК коронавируса, выделенные зеленым цветом, накапливаются внутри камер, созданных вирусом. Камеры усеяны небольшими вирусными белками, выделенными красным, которые могут быть путями отхода для РНК. Монтсеррат Барсена, Медицинский центр Лейденского университета

«Это путь отхода от коронавируса», — сказал доктор Барсена. «У нас была эта загадка, и теперь у нас есть ответ».

Сборка новых вирусов

За считанные часы инфицированная клетка может создать тысячи новых вирусных геномов. Рибосомы клетки считывают их гены, извергая еще больше вирусных белков. В конце концов, некоторые из этих белков и новых геномов собираются, чтобы создавать новые вирусы.

Это непростая задача, потому что цепь генов коронавируса в сто раз длиннее самого вируса.

Недавние эксперименты показывают, что SARS-CoV-2 снова использует физику лавовой лампы в своих интересах. Белки, называемые нуклеокапсидами, приклеиваются к точкам по всей длине нити РНК. Вместе молекулы быстро распадаются на капли.

Новые коронавирусы, выделенные розовым цветом, образуются внутри клеточных пузырьков. Steffen Klein et al., bioRxiv

Доктор Гладфелтер предположил, что эта стратегия предотвратила спутывание двух нитей генов друг с другом. В результате каждый новый вирус имеет только один набор генов.

Эти капельки поглощаются вирусными мембранами и шиповидными белками, и новые вирусы готовы покинуть клетку. Чтобы смоделировать эти вирусы до каждого атома, доктор Амаро собирает новые изображения белков и РНК SARS-CoV-2. Затем она и ее коллеги создают виртуальные вирусы на суперкомпьютерах, каждый из которых состоит из полумиллиарда атомов. Затем эти машины могут использовать законы физики для имитации танца вирусов каждую фемтосекунду: другими словами, миллионную от миллиардной доли секунды.

Доктор Амаро и ее коллеги надеются использовать ее смоделированные вирусы для решения одного из самых спорных вопросов о Covid-19: как вирус распространяется от человека к человеку.

Когда инфицированные люди выдыхают, разговаривают или кашляют, они выделяют крошечные капли воды, содержащие вирусы. Неясно, как долго SARS-CoV-2 может выживать в этих каплях. Доктор Амаро планирует построить эти капли, вплоть до отдельных молекул воды, на своем компьютере. Потом она добавит вирусы и посмотрит, что с ними будет.

Видеоэкскурсия по смоделированному коронавирусу, основанная на новых исследованиях его поверхностных белков. Лоренцо Казалино и Эбигейл Доммер, Amaro Lab, UC. Сан-Диего

«Я вполне уверена, что, вероятно, в течение года мы сможем получить весь вирус, включая все его частички внутри», — сказала она.

Лекарства и вакцины

Однако новые снимки SARS-CoV-2 уже стали необходимыми для борьбы с пандемией. Разработчики вакцин изучают структуру вируса, чтобы убедиться, что антитела, вырабатываемые вакцинами, плотно прилегают к вирусу. Разработчики лекарств придумывают молекулы, которые разрушают вирус, проникая в закоулки белков и блокируя их механизмы.

Молекула лекарства, выделенная синим цветом, блокирует кончик шипа коронавируса. Ян Хейдон, Институт белкового дизайна

Геном вируса может предложить другие цели. Лекарства могут блокировать петли и клубки, чтобы вирус не контролировал наши рибосомы. «Очень важно, чтобы вы знали, что представляет собой форма, чтобы вы могли разработать правильный химический процесс для связывания с этой формой», — сказал доктор Рускин.

Тем временем доктор Гладфелтер хочет посмотреть, может ли физика вирусных капель предложить новую линию атаки против SARS-CoV-2.

«Вы можете получить соединение, которое сделает их более липкими, сделает их более желеобразными», — сказала она. «Наверное, здесь много ахиллесовых пят».

Будущие исследования

Хотя за последние несколько месяцев был получен поток данных о вирусе, некоторые исследования ясно показали, что потребуются годы, чтобы разобраться в SARS-CoV-2.

Ноам Штерн-Гиноссар и ее коллеги из Института Вейцмана в Израиле, например, нашли доказательства того, что вирус производит белки, которые ученым еще предстоит найти.

Доктор Стерн-Гиноссар и ее коллеги изучили РНК вируса в инфицированных клетках, подсчитав все рибосомы, которые ее считывали. Некоторые рибосомы сгруппированы вдоль известных генов. Но другие считывали гены, которые раньше никогда не обнаруживались.

Например, рибосомы иногда считывают только участок гена шиповидного белка.