Atomic force microscopy study on the mechanics of influenza viruses and liposomes
Rasterkraftmikroskop Studie der Mechanik von Influenza-Viren und Liposomen
by Sai Li
Date of Examination:2012-11-20
Date of issue:2012-11-28
Advisor:Dr. Iwan Schaap
Referee:Prof. Dr. Andreas Janshoff
Referee:Prof. Dr. Bert de Groot
Referee:Prof. Dr. Jörg Enderlein
Persistent Address:
http://dx.doi.org/10.53846/goediss-2900
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Abstract
English
Physics exists wherever there is matter: measures such as energy, mass, temperature, speed, dimension and stiffness are all examples of the physical properties. Such quantities are important characterizations for biological organisms: they are changing all the time during the life cycle. For a bio-mechanist, stiffness is an important measure to understand biological design. Because biological building blocks can be as small as 1 nm (protein/DNA/lipid), special techniques are required to study their stiffness. Both atomic force microscopy (AFM) and optical tweezers can be used to actively deform the objects at pN-nN forces and measure the deformation on nanometer length scales. In this thesis AFM is applied to study the mechanics of influenza viruses, liposomes and living cells. The genome of viruses is packed by a protein shell and in some cases an additional lipid envelope. This composite shell has conflicting roles: it has to protect the viral genome, but it should also allow unpacking during the viral infection to release the genome. Influenza virus is the softest virus ever found, but at the same time a very persistent virus causing yearly pandemics. A better understanding of the mechanical properties of influenza virus may help us to understand why this virus is so successful. The mechanical properties of influenza viruses were measured by AFM and compared with the liposomes made of the viral lipid. We have found that, the influenza virus mechanics are dominated by its lipid envelope (~70%). In chapter 2 we proved that instead of using a rigid protein capsid, the lipid envelope is sufficient to protect the influenza viral genome. In chapter 3, we further looked into the function of the M1 protein shell during viral infection. An intermediate unpacking step was discovered by measuring the influenza viral stiffness at pH 7, 6, 5.5, and 5, conditions that mimic the acidifying environments on the viral infection pathway. The intermediate step was further proven to be essential for successful infection. We propose that the influenza virus has evolved to tightly synchronize the different steps of its unpacking with pH changes in its biological environment while traveling through the cell. By carrying out the aforementioned investigations, I have increased our understanding of how the influenza virus protects itself and how the virus structure disassembles in multiple steps during infection. The methods described in this thesis are innovative and will also be useful for the mechanical characterization of other samples. The results are also important from a virological point of view, since they indicate that enveloped viruses taken up by endocytosis may have to undergo a gradual acidification in order to reach infectivity.
Keywords: Influenza virus; liposome; biomechanics; atomic force microscopy; finite element method; endocytosis; M1 matrix protein; enveloped virus
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Physik gibt es überall dort, wo Materie:
Maßnahmen wie Energie, Masse, Temperatur, Geschwindigkeit, Größe
und Steifigkeit sind alle Beispiele der physikalischen
Eigenschaften. Solche Mengen sind wichtige Charakterisierungen für
biologische Organismen: Sie verändern die ganze Zeit während des
gesamten Lebenszyklus. Für eine Bio-Mechaniker, Steifigkeit ist
eine wichtige Maßnahme zur biologischen Design zu verstehen. Weil
biologische Bausteine so klein wie 1 nm (Protein / DNA / Lipid)
sein können, sind spezielle Techniken erforderlich, um ihre
Steifigkeit zu studieren. Beide Rasterkraftmikroskopie (AFM) und
optischen Pinzetten können verwendet werden, um aktiv zu verformen
die Objekte an pN-nN Kräfte und messen die Verformung auf Nanometer
Längenskalen werden. In dieser Arbeit AFM wird angewandt, um die
Mechanik von Influenza-Viren, Liposomen und lebenden Zellen zu
studieren. Das Genom von Viren von einer Proteinhülle und in
einigen Fällen eine zusätzliche Lipidhülle verpackt. Dieser Verbund
Shell hat widersprüchliche Rollen: er hat das virale Genom zu
schützen, aber es sollte auch ermöglichen Auspacken während der
viralen Infektion in das Genom zu lösen. Influenza-Virus ist das
weichste Virus jemals gefunden, aber zur gleichen Zeit eine sehr
hartnäckige Virus verursacht jährliche Pandemien. Ein besseres
Verständnis der mechanischen Eigenschaften des Influenza-Virus kann
uns helfen zu verstehen, warum das Virus so erfolgreich ist. Die
mechanischen Eigenschaften von Influenza-Viren wurden durch AFM
gemessen und mit den Liposomen der viralen Lipid hergestellt. Wir
haben gefunden, dass die Influenzavirus-Mechanik durch seine
Lipidhülle (~ 70%) werden dominiert. In Kapitel 2 haben wir
gezeigt, dass anstelle der Verwendung einer starren Proteinkapsid
die Lipidhülle ausreicht, um das Influenza virale Genom zu
schützen. In Kapitel 3 haben wir weitere blickte in die Funktion
des M1 Proteinhülle während der viralen Infektion. Ein
Zwischenprodukt Auspacken Schritt wurde durch Messen der in
fluenzavirale Steifigkeit bei pH 7, 6, 5,5 und 5, Bedingungen, die
die Ansäuerung Umgebungen auf der viralen Infektion nachahmen
Stoffwechselweg entdeckt. Der Zwischenschritt wurde weiterhin als
wesentlich erwiesen für eine erfolgreiche Infektion. Wir schlagen
vor, dass das Influenza-Virus hat sich zu eng synchronisiert die
verschiedenen Schritte ihrer Auspacken mit pH-
Schlagwörter: Influenza-Virus; Liposomen; Biomechanik; atomic force microscopy; Finite Elemente Methode; Endozytose; M1 Matrixprotein; umhüllte Virus