Mechanics of viral DNA ejection  Page description

Help  Print 
Back »
 

Details of project

  
Identifier
124966
Type K
Principal investigator Kellermayer, Miklós Sándor Zoltán
Title in Hungarian Vírus DNS kilökődés mechanikája
Title in English Mechanics of viral DNA ejection
Keywords in Hungarian egyedi részecske analízis, AFM, mechanikai kapcsoló, farok rost rugalmasság, T7-LPS interakciós erő
Keywords in English single particle analysis, AFM, mechanical switch, tail fiber elasticity, T7-LPS interaction force
Discipline
Molecular biology (Council of Medical and Biological Sciences)34 %
Ortelius classification: Molecular markers and recognition
Microbiology: virology, bacteriology, parasitology, mycology (Council of Medical and Biological Sciences)33 %
Biophysics (e.g. transport mechanisms, bioenergetics, fluorescence) (Council of Medical and Biological Sciences)33 %
Ortelius classification: Molecular biophysics
Panel Molecular and Structural Biology and Biochemistry
Department or equivalent Dept. of Biophysics and Radiation Biology (Semmelweis University)
Participants Bozó, Tamás
Csík, Gabriella
Feller, Tímea
Hegedüs, Imre
Herényi, Levente
Jeney, Csaba
Mártonfalvi, Zsolt
Schay, Gusztáv
Smeller, László
Starting date 2017-09-01
Closing date 2022-08-31
Funding (in million HUF) 44.004
FTE (full time equivalent) 8.95
state closed project
Summary in Hungarian
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
A vírusok genetikai anyagot tartalmazó nanoméretű fehérjekapszulák. A dsDNS vírusok parányi méretük és relatív egyszerűségük ellenére bámulatos nanogépezetek: a kapszid méreténél mintegy ezerszer hosszabb dsDNS molekulát képesek becsomagolni a kapszidba; ehhez a jelenleg ismert legerősebb mechanoenzimet (vírus portális motor) fejezik ki és használják; és genetikai anyagukat bonyolult és kifinomult molekuláris injekciós szerkezettel juttatják be a megfertőzött gazdasejtbe. Jóllehet a vírusok szerkezetét és működését egyre pontosabban ismerjük, továbbra sem ismert az a jelátviteli mechanizmus, amelynek hatására a DNS kilökődése a gazdasejt felismerését követően beindul. Pályázatunk azon felfedezésünkre épül, miszerint a T7 bakteriofág kapszidjának gyengéd mechanikai tapogatása kiváltja a genomiális DNS kilökődését, rámutatva egy mechanikai kapcsolófunkció lehetőségére. Kísérleteinkben ezen mechanikai kapcsoló működési mechanizmusait kívánjuk feltárni szisztematikus, egyedi víruspartikulumokon, illetve sokaságon végzett kísérleteken keresztül. Egyedi vírus kapszidokat nagyfelbontású atomerőmikroszkóppal manipulálunk. A T7 fág farok rost-komplex stabilitását dinamikus erőspektroszkópiával mérjük meg. A DNS kilökődés monitorozására fénymikroszkópiás (fluoreszcencia) és spektroszkópiás (fluoreszcencia, FTIR) eljárásokat dolgozunk ki. LPS-sel funkcionalizált lipidrendszereket (liposzóma, lipid kettősréteg) alkalmazunk az LPS-indukált DNS ejekció vizsgálatára. Végül kísérleteinket kiterjesztjük adenovírus rendszerekre, hogy megvizsgáljuk: a mechanikai kapcsoló funkció univerzális, eukariótákat fertőző vírusokban is meglevő mechanizmus-e?

Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.
Kutatásunk alapkérdése a virális DNS kilökődési mechanizmusainak feltárására irányul. Hipotéziseink az alábbiak:
1. A dsDNS vírusokból történő DNS kilökődés egy érzékeny mechanikai kapcsoló által történik.
2 A vírus farok-rost komplexe fontos szerepet játszik a kapcsoló mechanizmusban.
3. A mechanikai kapcsoló általános mechanizmus a dsDNS vírusok között.

A következő kérdéseket igyekszünk megválaszolni, T7 bakteriofág modell rendszeren szisztematikusan végzett kísérleteken keresztül:
1. Melyek a T7 bakteriofág DNS kilökődési lépéseinek részletes jellemzői?
1.1. Van-e mechanikailag érzékeny forró pont a T7 kapszid felületén?
1.2. Lehetséges a mechanikailag vezérelt DNS kilökődés sebességét szabályozni?
1.3. Mekkora mennyiségű DNS lökődik ki a mechanikai aktiváció során és milyen sebességgel?
1.4. Lehetséges a DNS kilökődést indukálni izotróp erőhatással?
1.5. Milyen kapszid fehérje szerkezeti változások játszódnak le magas nyomás által indukált DNS kilökődés során?
1.6. Milyen kinetikával zajlik a DNS kilökődése LPS általi bekapcsolás során?
1.7. Lehetséges a DNS kilökődés sebességét befolyásolni anizotróp erőhatással?

2. Mi a szerepe a vírus farok-rost komplexnek a felületi receptorok felismerésében és a DNS kilökődés beindításában?
2.1. Milyen a T7 farok-rosk komplex nagyfelbontású topológiai szerkezete?
2.2. Rugalmasak a farok rostok? Mekkora a mechanikai stabilitásuk?
2.3. Szükség van-e a farok-rost komplex kitüntetett szerkezeti elrendeződésére a DNS kilökődés kiváltásához?
2.4. Hogyan keresik a T7 bakteriofágok a kötőhelyeket a gazdasejt felületén?

3. Működik-e mechanikai kapcsoló az eukarióta rendszereket fertőző adenovírusokban?

Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!
Pályázatunk a dsDNS vírusok általi fertőzés egyik legfontosabb lépését, a DNS kilökődés molekuláris mechanizmusait és mechanikáját igyekszik feltárni. A dsDNS vírusok plyan paraziták, amelyek számos különböző, a baktériumoktól az emberig terjedő gazdaszervezetet képesek megfertőzni, ezáltal súlyos patológiás állapotokat létrehozva. A fertőzési folyamat során a vírus a gazdasejtbe fecskendezi genomiális DNS-ét. Ezen kifinomult és bonyolult lépés molekuláris mechanizmusai és mechanikai vonatkozásai kevéssé ismertek. Mindazonáltal nyilvánvaló, hogy a DNS injekciós lépés pontosabb ismerete hozzájárul a vírusfertőzés elleni hatékony védekezés módszereinek kifejlesztéséhez. Tekintettel arra, hogy a kutatásunkban vizsgált modell vírus (T7 bakteriofág) a dsDNS vírusok egyik archetípusa, kísérleteink hozzájárulnak hasonló dsDNS vírusok, mint például a humán pathológiában is jelentős szerepet játszó herpeszvírusok, adenovírusok és papillomavírusok fertőzési mechanizmusainak megértéséhez. Pályázatunk tehát előrelendítheti a vírusfertőzés mechanizmusainak pontosabb megértését, illetve a vírusfertőzés elleni védekezési és terápiás stratégiák kidolgozását.

A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára.
A vírusok különböző gazdaszervezeteket megfertőzni képes paraziták, amelyek számos súlyos betegséget okoznak. A dsDNS vírusok úgy fertőznek, hogy a gazdaszervezet sejtjeibe mintegy belefecskendezik átörökítő anyagukat, egy kettősszálú DNS molekulát. A rendkívül kifinomult és bonyolult DNS befecskendezési lépés részleteit, molekuláris mechanizmusait és különösen a mechanikai vonatkozásait nem ismerjük pontosan. Azonban könnyű belátni, hogy a vírusfertőzés eme fontos lépésének ismeretében hatékony védekezési és gyógyítási eljárásokat dolgozhatunk ki. Pályázatunkban a T7 bakteriofág modellrendszeren, újszerű egymolekula biofizikai eljárások alkalmazásával tervezzük feltárni a DNS kilökődés és fecskendezés mechanizmusait. Mivel a T7 bakteriofág a DNS vírusok általános modelljének tekinthető, kutatásunk a hasonló DNS vírusok, úgymint a súlyos emberi kórképeket okozó herpesz, adeno- és papillomavírusok fertőzési folyamatait is segít megérteni. Pályázatunk tehát előrelendítheti a vírusfertőzés mechanizmusainak pontosabb megértését, illetve a vírusfertőzés elleni védekezési és terápiás stratégiák kidolgozását.
Summary
Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
Viruses are nanoscale protein capsules harboring genetic material. In spite of their small size and relatively low complexity, dsDNA viruses are amazingly remarkable nanomachines: they pack in their capsid a dsDNA molecule nearly a thousand times longer than the capsid radius; to achieve this they express and use the strongest known mechanoenzyme, the portal motor; and they inject their dsDNA into the host by using ever sophisticated molecular ejector mechanisms. Much has been learned about the structure and function of viruses in recent years. However, the mechanisms of how the ejection of their genomic dsDNA is triggered, is not yet known. Our proposal stems from our recent discovery that gently tapping the T7 bacteriophage capsid wall triggers the ejection of DNA from the virus so that a mechanical switch mechanism may be present. We plan to dissect the molecular mechanisms of the mechanical switch in systematic ensemble and single-particle experiments. High-resolution atomic force microscopy will be employed to mechanically manipulate individual phage particles. The stability of the T7 tail fibers will be investigated with dynamic force spectroscopy. Novel assays will be set up to monitor the ejection of DNA with microscopy (fluorescence) and spectroscopy (fluorescence and FTIR). LPS-functionalized lipid systems (liposome, supported lipid bilayer) will be developed to explore the LPS-induced DNA ejection process of the T7 phage. Finally, we shall expand our experiments towards adenoviral systems to explore whether the mechanical switch might be a universal mechanism present in eukaryotic viruses as well.

What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.
Our major research question is directed towards understanding the detailed mechanisms and mechanics of viral DNA ejection. The major hypotheses are:
1. The ejection of DNA from dsDNA viruses involves a triggering process via a sensitive mechanical switch.
2. The virus tail fiber assembly plays an important role in the trigger mechanism.
3. The mechanical switch is a general mechanism among dsDNA viruses.

To test the hypotheses, the following questions will be systematically addressed in the model system of the T7 bacteriophage:
1. What are the detailed characteristic features of the T7 phage DNA ejection process?
1.1. Is there a mechanically sensitive hot-spot region on the T7 capsid surface?
1.2. Can the rate of mechanically-induced DNA ejection be altered?
1.3. How much DNA is ejected during mechanical activation and at what rate?
1.4. Can DNA ejection be triggered with isotropic forces?
1.5. What are the T7 capsid structural changes during pressure-induced DNA release?
1.6. What are the kinetics of DNA ejection during LPS-induced trigger?
1.7. Can DNA ejection be controlled by anisotropic forces?

2. What is the role of tail fibers in recognizing surface receptors and triggering DNA ejection?
2.1. What is structure of the T7 tail fiber assembly?
2.2. Are the tail fibers elastic? What is their mechanical stability?
2.3. Is there a specific tail fiber arrangement required for triggering DNA ejection?
2.4. How do T7 particles search on the host surface for binding sites?

3. Is the mechanical switch also present in adenoviruses, which infect eukaryotic organisms?

What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.
Our proposal aims at understanding the molecular mechanisms and mechanics of DNA ejection, a crucial step during the infection by dsDNA viruses. These viruses are parasites that infect a wide variety of organisms ranging from bacteria to humans, causing severe pathological conditions in the infected species. During the infection step, the virus injects its genomic dsDNA into the host cell. The molecular mechanisms of this highly sophisticated process and particularly the underlying mechanics are very poorly understood. However, it is expected that a precise, detailed knowledge of the DNA-injection step will generate a strong momentum for devising suitable methods that efficiently interfere with viral infection. Considering that the bacteriophage (T7) studied here likely displays an archetypical dsDNA-virus life cycle, the knowledge gained in our experiments will facilitate the understanding of the infection mechanisms employed by similar viruses which are important in human pathologies, for example herpes viruses, adenoviruses and papilloma viruses. Thus, our proposal provides a significant impetus towards the fundamental understanding of viral infection mechanisms and towards the design of future therapeutic strategies against viral infections.

Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others.
Viruses are parasites that infect a wide variety of organisms ranging from bacteria to humans, causing severe diseases in the infected species. dsDNA viruses infect the host organism by injecting their genomic double-stranded (ds) DNA into the host cell. The molecular mechanisms of this highly sophisticated process and particularly the underlying mechanics are very poorly understood. However, it is expected that a precise, detailed knowledge of the DNA-injection step will generate a strong momentum for devising suitable methods that may efficiently interfere with viral infection. We plan to dissect the molecular mechanisms and mechanics of the viral DNA ejection process in bacteriophage T7 by using novel single-particle and single-molecule mechanical methods. Considering that the bacteriophage studied here likely displays an archetypical dsDNA-virus life cycle, the knowledge gained in our experiments will facilitate the understanding of the infection mechanisms employed by similar viruses which are important in human pathologies. These pathogenic viruses include herpes viruses, adenoviruses and papilloma viruses. Thus, our proposal provides a significant impetus towards the fundamental understanding of viral infection mechanisms and towards the design of future therapeutic strategies against viral infections.




 

Final report

  
Results in Hungarian
Projektünkben jelentős lépéseket tettünk különböző vírusok tulajdonságainak és fertőzési mechanizmusainak megértése irányában. Feltártuk a T7 fág hőmérsékletfüggő nanomechanikai tulajdonságait és topográfial szerkezetváltozásait. Jelentős eredményeket kaptunk a T7 fágok E.coli fertőzés közben fellépő nanomechanikai jelenségeiveről. A T7 DNS kilökődési folyamatának mérésére mikrofluidikai rendszerrel kombinált TIRF mikroszkópos eljárást fejlesztettünk ki. LPS-ből, szintetikus lipidekből és E.coli membránfehérjéből álló modellrendszert fejlesztettünk ki azért, hogy a T7 bakteriofág felszíni kjötődési mechanizmusait vizsgálni tudjuk. Valós idejű rendszert dolgoztunk ki arra, hogy a T7 fág fertőzési folyamatát és az indukált E. coli sejtlízist időben követni tudjuk. Jelentős felfedezéseket tettünk a T7 fág fertőzési ciklusáról, és kimutattuk, hogy a fág részecskék diffúzióvezérelt gördüléssel keresik a target receptorokat a gazdasejt felületén. Kísérleti megközelítéseinket kiterjesztettük a covid-19 pandémiát okozó SARS-CoV-2 vírus tulajdonságainak feltárására. Eredményeink rámutattak, hogy az új típusú koronavírus rendkívül rugalmas, ellenáll mechanikai behatásoknak, és a felületi tüskéi nagyfokú dinamikai tulajdonságokkal rendelkeznek. Végül, a SARS-CoV-2 alfa és delta variánsainak topográfiájáról tettünk fontos megfigyeléseket, amelyek közelebb vezethetnek a fokozott fertőzőképességük megértéséhez.
Results in English
In this project we made significant advancements towards the understanding of viral properties, behavior and infection mechanisms. The tempersture-dependent mechanical stability and topography of the T7 phage has been uncovered. Progress has been made in mechanically manipulating T7 phages while they are infecting E. coli cells. The DNA ejection process was visualized by TIRF microscopy combined with a microfluidics. A model system consisting of LPS, synthetic lipids and E. coli outer membrane proteins has been developed to investigate its interaction with individual T7 phage particles. A real-time T7 - E. coli infection analysis system was developed to visually monitor the process of phage-induced bacterial lysis as a function of time. We made important mechanistic insights into the host surface binding and recognition of T7 phages during their replication cycle and demonstrated that individual T7 particles find their target receptor by diffusion-driven rolling. We have also expanded our physical virology approaches to investigate the structure, dynamics and nanomechanics of SARS-CoV-2, the virus causing the COVID-19 pandemic. We discovered that the SARS-CoV-2 particles are highly compliant and mechanically resilient, and their spikes display high dynamics. Finally, we have made advances towards the characterization of the alpha and delta variants of the SARS-CoV-2 virus which may lead closer to understanding the mechanisms behind their increased infectivity.
Full text https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=124966
Decision
Yes





 

List of publications

  
Batta G, Soltész L, Kovács T, Bozó T, Mészár Z, Kellermayer M, Szöllősi J, Nagy P.: Alterations in the properties of the cell membrane due to glycosphingolipid accumulation in a model of Gaucher disease, Sci Rep. 2018 Jan 9;8(1):157, 2018
Kellermayer MSZ, Vörös Z, Csík G, Herényi L.: Forced phage uncorking: viral DNA ejection triggered by a mechanically sensitive switch, Nanoscale. 2018 Jan 25;10(4):1898-1904., 2018
Kellermayer M, Sziklai D, Papp Z, Decker B, Lakatos E, Mártonfalvi Z.: Topology of interaction between titin and myosin thick filaments., J. Struct Biol. 2018 May 5. pii: S1047-8477(18)30116-3., 2018
Feller T, Hársfalvi J, Csányi C, Kiss B, Kellermayer M.: Plasmin-driven fibrinolysis in a quasi-two-dimensional nanoscale fibrin matrix., J Struct Biol. 2018 Sep;203(3):273-280., 2018
Kazsoki A, Szabó P, Domján A, Balázs A, Bozó T, Kellermayer M, Farkas A, Balogh-Weiser D, Pinke B, Darcsi A, Béni S, Madarász J, Szente L, Zelkó R.: Microstructural Distinction of Electrospun Nanofibrous Drug Delivery Systems Formulated with Different Excipients., Mol Pharm. 2018 Aug 1. doi: 10.1021/acs.molpharmaceut.8b00646., 2018
Vörös Z, Csík G, Herényi L, Kellermayer M.: Temperature-dependent nanomechanics and topography of bacteriophage T7, J Virol. 2018 Aug 8. pii: JVI.01236-18., 2018
Osváth S, Herényi L, Agócs G, Kis-Petik K, Kellermayer M.: Label-free Multiscale Transport Imaging of the Living Cell., Biophys J. 2018 Aug 8. pii: S0006-3495(18)30921-4., 2018
Kiss Bálint, Tordai Hedvig, Bozó Tamás , Kellermayer Miklós: Virális DNS kilökődés bakteriális membrán modellekben/Viral DNA ejection in bacterial membrane models, Sümegi Membrántranszport Konferencia, 2019
Kiss Bálint Kiss Bálint, Tordai Hedvig, Bozó Tamás, Kellermayer Miklós: Virális DNS kilökődés bakteriális membrán modellekben, Magyar Biofizikai Társaság Kongresszusa, 2019
Bálint Kiss, Hedvig Tordai, Levente Herényi, Miklós Kellermayer: Imaging and mechanics of infectious DNA ejection by the T7 Bacteriophage, Biophysical Journal, 2020
Kretzer B, Kiss B, Tordai H, Csík G, Herényi L, Kellermayer M.: Single-molecule mechanics in ligand concentration gradient., Micromachines 11(2), 212, 2020
Kiss B, Mudra D, Török G, Mártonfalvi Z, Csík G, Herényi L, Kellermayer M.: Single-particle virology, Biophys Rev. 2020 Oct;12(5):1141-1154., 2020
Kiss B, Kis Z, Pályi B, Kellermayer MSZ: Topography, Spike Dynamics, and Nanomechanics of Individual Native SARS-CoV-2 Virions, Nano Letters 21(6):2675-2680, 2021
B Kiss, T Bozó, D Mudra, H Tordai, L Herényi, M Kellermayer: Development, structure and mechanics of a synthetic E. coli outer membrane model, Nanoscale Advances 3 (3), 755-766, 2021
Bálint Kiss, Hedvig Tordai, Levente Herényi, Miklós Kellermayer: Imaging and mechanics of infectious DNA ejection by the T7 Bacteriophage, Biophysical Journal 118 (3), 490a, 2020
Preißinger K, Kellermayer M, Vértessy BG, Kézsmárki I, Török J.: Reducing data dimension boosts neural network-based stage-specific malaria detection, Sci Rep. 2022 Sep 30;12(1):16389. doi: 10.1038/s41598-022-19601-x., 2022
Kiss B, Kiss LA, Lohinai ZD, Mudra D, Tordai H, Herenyi L, Csík G, Kellermayer M.: Imaging the Infection Cycle of T7 at the Single Virion Level., Int J Mol Sci. 2022 Sep 24;23(19):11252. doi: 10.3390/ijms231911252., 2022
Radnay Z, Illés Á, Udvardy M, Prohászka Z, Sinkovits G, Csányi MC, Kellermayer M, Kiss A, Hársfalvi J.: Von Willebrand factor and platelet levels before conditioning chemotherapy indicate bone marrow regeneration following autologous hematopoietic stem cell transplantation., Transplant Cell Ther. 2022 Sep 1:S2666-6367(22)01597-4. doi: 10.1016/j.jtct.2022.08.028., 2022
Domokos Máthé, Bálint Kiss, Bernadett Pályi, Zoltán Kis, László Forgách, Nikolett Hegedűs, Zoltán Varga, Krisztián Szigeti, Kinga Karlinger, Miklós S Z Kellermayer: The 3M Concept: Biomedical Translational Imaging from Molecules to Mouse to Man, The EuroBiotech Journal 5(3):155-160, 2021
B Kiss, B Kretzer, L Herenyi, H Tordai, MS Kellermayer: Imaging the infectious cycle of T7 at the single host-cell level, Biophysical Journal 121 (3), 478a, 2022
D Mudra, B Kiss, Z Kis, B Pályi, M Kellermayer: Structure, dynamics and nanomechanics of wild-type and alpha-variant SARS-CoV-2 virions, Biophysical Journal 121 (3), 419a, 2022
Miklós Kellermayer, Bálint Kiss, Dominik Sziklai, Dorottya Mudra, Levente Herényi, Bernadett Pályi, Zoltán Kis: Viral Nanoanalytics, 20th International Symposium and Summer School on Bioanalysis, 2022
Bálint Kiss, Luca Annamária Kiss, Zsombor Dávid Lohinai, Dorottya Mudra, Hedvig Tordai, Levente Herényi, Gabriella Csík, Miklós Kellermayer: Imaging the Infection Cycle of T7 at the Single Virion Level, Regional Biophysics Conference 2022, Pécs, Hungary, 2022
Miklós Kellermayer, Bálint Kiss, Dominik Sziklai, Dorottya Mudra, Levente Herényi, Bernadett Pályi, Zoltán Kis: BIOPHYSICAL VIROLOGY OF SARS-COV-2 AND ITS VARIANTS, Regional Biophysics Conference 2022, Pécs, Hungary, 2022




 

Events of the project

  
2022-12-02 10:06:05
Résztvevők változása



Back »