Organizing Biomolecular Matter in Silico

Mgr. Bc. Lukáš Sukeník, Ph.D.

Doctoral thesis

Abstract:

V této disertační práci jsme zkoumali uspořádání biomolekulárních struktur virů pomocí počítačových simulací a technik výpočetního modelování. Zaměřili jsme se na získání fundamentálních poznatků o raných fázích životního cyklu virů, se zvláštním důrazem na objasnění mechanismu uvolnění genomu. Uvolnění genomu je klíčovým krokem v životním cyklu virů. Při intracelulárním transportu virů v endozomech vyvolá vystavení nízkému pH konformační změnu kapsidy, která je nezbytná pro uvolnění genomu. Následně se některým virům vytvoří póry na symetrických osách, o nichž se předpokládá, že umožňují pomalé uvolnění virového genomu. Nicméně, naše nedávné kryo-EM snímky pikornavirů tuto hypotézu zpochybnily tím, že odhalily schopnost virových kapsid prasknout a rychle uvolnit genom. Mechanismus uvolnění genomu tak zůstává nejasný. My jsme zkombinovali in vitro kryo-EM pozorování uvolnění genomu ze čtyř virů s hrubozrnnými simulacemi modelového virionu pikornaviru. Tento přístup nám umožnil prozkoumat cesty uvolnění genomu a zkoumat stabilitu virionu. Naše výsledky ukazují, jak povaha interakcí mezi stavebními bloky kapsidy určuje stabilitu virionu i cestu uvolnění genomu. Zajímavé je, že předem vytvořené póry na osách symetrie nejsou pro pomalé uvolnění genomu nezbytné. Místo toho dochází k pomalému uvolnění genomu prostřednictvím tranzientních pórů, které vznikají s vyšší frekvencí v kapsidách s dalekodosahovými interakcemi mezi stavebními bloky, a zároveň slabými interakcemi uvnitř genomu. Naopak rychlé uvolnění je zvýhodněno, pokud jsou interakce mezi stavebními bloky kapsidy krátkodosahové a/nebo interakce vně genomu silné. Tato zjištění objasňují chování virů při procesu uvolnění genomu a nabízejí poznatky pro návrh nanočástic podobných virům pro doručování léčiv. Navíc nabízejí potenciální možnosti pro vývoj antivirových strategií proti virovým infekcím.

Abstract:

In this thesis we investigated the organization of biomolecular structures of viruses by employing computer simulations and computational modeling techniques. Our focus was on gaining a fundamental understanding of the early stages in the viral life cycle, with a particular emphasis on elucidating the mechanism behind genome release. Genome release is a pivotal step in the life cycle of viruses. When viruses undergo intracellular transport within endosomes, exposure to low pH triggers a conformational change in the capsid that is required for genome release. Subsequently, certain viruses form pores on their symmetry axes, which have been proposed to facilitate the slow release of the viral genome. However, our recent cryo-EM images of picornaviruses have challenged this hypothesis by demonstrating that viral capsids can crack open, leading to rapid genome release. Thus, the mechanism of genome release remains elusive. We combined in vitro cryo-EM observations of the genome release from four viruses with coarse-grained simulations of the model picornavirus virion. This approach allowed us to investigate the genome release pathways and examine virion stability. Our results highlight how the nature of interactions between capsid building blocks determines both virion stability and the pathway for genome release. Interestingly, we discovered that preformed pores on the symmetry axes are not essential for slow genome release. Instead, slow release occurs through transient pores, facilitated by long-range interactions between capsid subunits and weak interactions within the genome. In contrast, rapid release is favored when capsid interactions are short-range and/or the genome interactions are strong. These findings elucidate the genome release behaviour of viruses and offer insights into the design of virus-like nanoparticles for drug delivery. Moreover, they offer potential avenues for the development of antiviral strategies against viral infections.

Keywords

Počítačové simulace, Molekulová dynamika, RNA viry, Neobalené kapsidy, Hrubozrné modely, Uvolnění genomu, Samouspořádané systémy, Computer simulations, molecular dynamics, RNA viruses, Non-enveloped capsids, Coarse-grained model, Genome release, Self-assembled systems

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 4. 7. 2023

Thesis defence

• Date of defence: 20. 9. 2023
• Supervisor: prof. RNDr. Robert Vácha, PhD.
• Reader: Dr. Stefano Angioletti-Uberti, doc. RNDr. Peter Košovan, Ph.D.

Masaryk University

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Physics / Biophysics