Το ηλεκτρονικό μικροσκόπιο αποκαλύπτει ότι αυτά τα μολυσματικά σωματίδια διαθέτουν τρεις κύριους τύπους συμμετρίας. Κάθε είδος ιού συγκροτείται- συναρμολογείται έξυπνα από λίγα μόνο είδη δομικών στοιχείων.
Όταν τα μικρότερα μέλη της οικογένειας των ιών μεγεθύνονται αρκετές εκατοντάδες χιλιάδες φορές στο ηλεκτρονικό μικροσκόπιο, διαπιστώνεται ότι διαθέτουν εξαιρετικά υψηλό βαθμό δομικής συμμετρίας. Σε αυτούς τους ιούς, οι υπομονάδες που είναι ορατές στις ηλεκτρονιομικρογραφίες, είναι μεμονωμένα πρωτεϊνικά μόρια, συχνά πανομοιότυπα σε είδος, συσκευασμένα μαζί για να σχηματίσουν μια απλή γεωμετρική δομή. Στους μεγαλύτερους ιούς η γεωμετρία είναι συνήθως πιο περίπλοκη και αρχίζει να εμφανίζεται ένας ορισμένος βαθμός δομικής ευελιξίας. Βλέποντας τις μικρογραφίες, έχει κανείς την εντύπωση ότι του δείχνουν πώς ο άψυχος κόσμος των ατόμων και των μορίων προβάλλει τη σκιά του ανεπαίσθητα στον κόσμο των μορφών που διαθέτουν ορισμένα από τα χαρακτηριστικά της ζωής.
Οι ιοί είναι οι μικρότερες βιολογικές δομές που ενσωματώνουν όλες τις πληροφορίες που απαιτούνται για την αναπαραγωγή τους. Ουσιαστικά αποτελούνται από ένα κέλυφος πρωτεΐνης που περικλείει έναν πυρήνα νουκλεϊκού οξέος – είτε ριβονουκλεϊκού οξέος (RNA) είτε δεοξυριβονουκλεϊκού οξέος (DNA). Το κέλυφος χρησιμεύει ως προστατευτικό περίβλημα και σε ορισμένες περιπτώσεις ως μέσο για τη διάτρηση των τοιχωμάτων των ζωντανών κυττάρων στα οποία ο ιός είναι ικανός να επιτεθεί. Τo νουκλεϊκό οξύ του ιού εισέρχεται στο κύτταρο και ανακατευθύνει τον κυτταρικό μηχανισμό προς παραγωγή δεκάδων πλήρων σωματιδίων ιού. Όταν ολοκληρωθεί η εργασία, το κύτταρο διαρρηγνύεται και οι ιοί διαχέονται, έτοιμοι να μολύνουν κι’ άλλα κύτταρα.
Οι περισσότεροι ιοί εμπίπτουν σε ένα εύρος μεγέθους μεταξύ 10 και 200 nm· Mε άλλα λόγια, μεταξύ του ενός τεσσαρακοστού του μήκους κύματος και του μισού μήκους κύματος του ιώδους φωτός. Δεδομένου ότι αντικείμενα μικρότερα από το μήκος κύματος του φωτός δεν μπορούν να παρατηρηθούν σε ένα συνηθισμένο μικροσκόπιο, οι ιοί μπορούν να παρατηρηθούν απευθείας μόνο με τη βοήθεια του ηλεκτρονικού μικροσκοπίου. Αυτά τα όργανα χρησιμοποιούν μια δέσμη ηλεκτρονίων των οποίων το μήκος κύματος είναι πολύ μικρότερο από τις διαστάσεις ενός ιού. Οι ιοί μπορούν επίσης να μελετηθούν έμμεσα τοποθετώντας κρυστάλλους ενός καθαρού παρασκευάσματος ιού σε μια δέσμη ακτίνων Χ και καταγράφοντας τα μοτίβα περίθλασης που παράγονται όταν οι ακτίνες Χ ανακλώνται από τα επίπεδα των ατόμων στον κρύσταλλο. Η ανάλυση τέτοιων μοτίβων εκλογής περίθλασης ακτίνων Χ υπέδειξε ότι οι πρωτεϊνικές υπομονάδες που σχηματίζουν το κέλυφος του ιού ήταν διατεταγμένες συμμετρικά. Ο ιός της μωσαϊκής του καπνού, για παράδειγμα, εμφανίστηκε στις πρώτες ηλεκτρονικές μικρογραφίες ως μια λεπτή ράβδος χωρίς ορατές υπομονάδες. Όταν ο ιός εξετάστηκε με περίθλαση ακτίνων Χ, ωστόσο, μπορούσε κανείς να δει μοτίβα που υποδηλώνουν ότι οι υπομονάδες ήταν διατεταγμένες σε έλικα. Από την άλλη πλευρά, οι περισσότεροι μικροί ιοί, που φαίνονταν σφαιρικοί στις ηλεκτρονικές μικρογραφίες, έδωσαν μοτίβα ακτίνων Χ που υποδεικνύουν ότι είχαν κυβική συμμετρία. Αυτό υποδηλώνει ότι ήταν κανονικά πολύεδρα και επίσης μέλη της ομάδας των πλατωνικών στερεών: στερεά με τέσσερα, έξι, οκτώ, 12 και 20 πλευρές. Υπό το φως των αποτελεσμάτων των ακτίνων Χ και υποστηρίζοντας από γενικές αρχές, οι F. H. C. Crick και James D. Watson πρότειναν το 1956 και το 1957 ότι η ποσότητα νουκλεϊκού οξέος που υπάρχει στους μικρούς ιούς ήταν περιορισμένη και ότι οι πληροφορίες που μετέφερε θα ήταν επαρκείς για να κωδικοποιήσουν μόνο μερικά είδη πρωτεϊνών. Υποστήριξαν, επομένως, ότι τα κελύφη των μικρών «σφαιρικών» ιών πιθανότατα κατασκευάστηκαν από έναν αριθμό πανομοιότυπων πρωτεϊνικών υπομονάδων, συμμετρικά συσκευασμένων. Ο πιο πιθανός τρόπος για να συσκευαστούν πανομοιότυπες μονάδες στην επιφάνεια μιας σφαίρας, επεσήμαναν οι Crick και Watson, θα ήταν σε κάποιο μοτίβο που έχει κυβική συμμετρία.
Ορισμένες από τις προβλέψεις των Crick και Con-Watson επιβεβαιώθηκαν στη συνέχεια από την ηλεκτρονική μικρογραφία. Υπήρξε μια περίοδος, ωστόσο, κατά την οποία ο σχεδιασμός και η ανάπτυξη του ηλεκτρονικού μικροσκοπίου ξεπέρασε τις μεθόδους προετοιμασίας δειγμάτων ιών για παρατήρηση. Τα αφυδατωμένα σωματίδια ιού είναι ουσιαστικά διαφανή σε μια δέσμη ηλεκτρονίων. Χρειάστηκε να επινοηθούν διάφορες τεχνικές για να γίνουν ορατά τα σωματίδια. Μία από τις πρώτες και απλούστερες μεθόδους ήταν η δημιουργία «σκιών» επιτρέποντας σε ένα ρεύμα ατόμων βαρέων μετάλλων να πέσουν πάνω στα σωματίδια του ιού υπό γωνία. Αυτό γινόταν τοποθετώντας το δείγμα των σωματιδίων του ιού σε έναν θάλαμο κενού και εξατμίζοντας τα άτομα μετάλλου από μια πηγή προς την πλευρά του θαλάμου. Τα άτομα μετάλλου που συσσωρεύονταν στο ίδιο το σωματίδιο του ιού θα εμπόδιζαν τη διέλευση των ηλεκτρονίων, ενώ τα ηλεκτρόνια θα μπορούσαν να περάσουν ελεύθερα μέσα από τις σκιές όπου δεν είχαν εναποτεθεί άτομα μετάλλου. Με αυτόν τον τρόπο, ήταν δυνατό να διακριθεί το συνολικό σχήμα του σωματιδίου του ιού, αλλά όχι όλες οι μικρές λεπτομέρειες της επιφανειακής του δομής
Στα επόμενα χρόνια, μια νέα και απλή μέθοδος «χρώσης» απομονωμένων σωματιδίων, όπως ιών και μεγάλων μορίων πρωτεΐνης, έχει αποδείχτηκε ακόμη πιο επιτυχημένη από τη σκίαση για την αποκάλυψη λεπτομερειών στις υψηλές μεγεθύνσεις που είναι πλέον διαθέσιμες στα ηλεκτρονικά μικροσκόπια. Συνίσταται στην περικύκλωση των σωματιδίων που πρόκειται να εξεταστούν από ένα υλικό πυκνής ηλεκτρονιακής πυκνότητας: φωσφοροβολφραμικό κάλιο. Αυτό επιτυγχάνεται με την ανάμειξη του εναιωρήματος του ιού με ένα διάλυμα φωσφοροβολφραμικού και τον ψεκασμό του μείγματος ή την εναπόθεση σταγονιδίων στις βάσεις του δείγματος. Δεδομένου ότι η μέθοδος φωσφοροβολφραμικού παράγει εικόνες που είναι αντίστροφες σε σύγκριση με εκείνες που λαμβάνονται με τις συνήθεις διαδικασίες παρασκευής, ονομάζεται «αρνητική χρώση» ή «αρνητική αντίθεση». Η εφαρμογή αυτής της μεθόδου σε μεγάλο αριθμό ιών έχει δείξει ότι εμπίπτουν σε τρεις κύριες ομάδες συμμετρίας: εκείνους με κυβική συμμετρία, εκείνους με ελικοειδή συμμετρία και εκείνους με σύνθετη συμμετρία ή συνδυασμένες συμμετρίες.
Η κατηγορία των πολυέδρων που έχουν κυβική συμμετρία περιλαμβάνει το κανονικό τετράεδρο (τέσσερις έδρες), το δωδεκάεδρο (12 έδρες) και το εικοσάεδρο (20 έδρες). Σκιασμένα παρασκευάσματα του ιριδίζοντος ιού της tipula, ο οποίος προκαλεί μια ασθένεια στις προνύμφες αρκετών εντόμων, έδειξαν ότι έχει το σχήμα ενός κανονικού εικοσάεδρου, και η συμμετρία ήταν αυταπόδεικτη [βλ. παρακάτω εικόνα].
Εικόνα: Ο ιός tipula iridescent, ένας ιός εντόμων, είναι τόσο μεγάλος που η γεωμετρικά κανονική δομή του φαίνεται καθαρά όταν τα δείγματα σκιάζονται με άτομα ενός βαρέος μετάλλου και μεγεθύνονται στο ηλεκτρονικό μικροσκόπιο. Στη διπλά σκιασμένη μικρογραφία (αριστερά) τα σωματίδια του ιού είναι μεγεθυμένα κατά περίπου 58.000 διαμέτρους. Οι σκιές υποδεικνύουν ότι κάθε σωματίδιο είναι ένα κανονικό εικοσάεδρο.
Μικρότεροι ιοί, από την άλλη πλευρά, δεν εμφανίζουν συμμετρία εκτός εάν εξεταστούν σε πολύ μεγάλη μεγέθυνση, και αυτό απαιτεί τη χρήση αρνητικής χρώσης με φωσφοροβολφραμικό.
Εικόνα: Σχετικά μεγέθη ιών παρουσιάζονται σε αυτό το διάγραμμα. Ένα μικρόμετρο (1 μm), που χρησιμοποιείται ως μέτρο σύγκρισης, είναι ένα χιλιοστό του χιλιοστού (1/1000 του mm). Στην εικόνα μεγεθύνεται 175.000 φορές. Οι πέντε ιοί με πολυεδρικές δομές. έχουν κυβική συμμετρία. Ο ιός της μωσαϊκής του καπνού και τα εσωτερικά συστατικά του ιού της γρίπης και της παρωτίτιδας έχουν ελικοειδή συμμετρία. Οι υπόλοιποι ιοί εμφανίζουν σύνθετη συμμετρία.
Θεωρούμε τις ιδιότητες συμμετρίας ενός κανονικού εικοσάεδρου, στο οποίο κάθε έδρα είναι ένα ισόπλευρο τρίγωνο. Εάν οι ακτίνες προβάλλονται από το κέντρο του εικοσάεδρου μέσω των γωνιών των τριγώνων, οι ακτίνες θα αντιπροσωπεύουν έναν άξονα περιστροφικής συμμετρίας. Οι ακτίνες που προβάλλονται από το κέντρο του στερεού μέσω του κέντρου κάθε όψης θα αντιπροσωπεύουν έναν δεύτερο άξονα Και οι ακτίνες που προεξέχουν από το κέντρο μέσω του μέσου κάθε ακμής θα αντιπροσωπεύουν έναν τρίτο άξονα. (Θα υπάρχουν 12 γωνιακές ακτίνες, 20 ακτίνες επιφάνειας και 30 ακτίνες ακμής.) Εάν το εικοσάεδρο παρατηρηθεί κατά μήκος της ακτίνας σε οποιαδήποτε γωνία, διαπιστώνεται ότι το σώμα μπορεί να περιστραφεί σε πέντε θέσεις χωρίς να αλλάξει την εμφάνισή του [βλ. επάνω εικόνα]. Εάν το εικοσάεδρο παρατηρηθεί κατά μήκος της ακτίνας σε οποιαδήποτε έδρα, το σώμα μπορεί να περιστραφεί σε τρεις θέσεις χωρίς να αλλάξει την εμφάνισή του. Και εάν το εικοσάεδρο παρατηρηθεί κατά μήκος μιας ακτίνας ακμής, μπορεί να περιστραφεί σε δύο θέσεις χωρίς αλλαγή στην εμφάνιση. Το κανονικό εικοσάεδρο λέγεται ότι έχει συμμετρία 5.3.2.
Σχήμα: ΑΞΟΝΕΣ ΣΥΜΜΕΤΡΙΑΣ εμφανίζονται για ένα κανονικό εικοσάεδρο, ένα σχήμα με 12 γωνίες, 20 έδρες και 30 ακμές. Βλέποντάς το κατά μήκος ενός άξονα σε οποιαδήποτε γωνία, το σχήμα μπορεί να περιστραφεί σε πέντε θέσεις χωρίς να αλλάξει την εμφάνισή του (αριστερά). Περιστρεφόμενο γύρω από οποιονδήποτε άξονα έδρας, ένα κανονικό εικοσάεδρο παρουσιάζει τριπλή συμμετρία (μέση). Περιστρεφόμενο γύρω από οποιονδήποτε άξονα ακμής, το σχήμα παρουσιάζει διπλή συμμετρία (δεξιά).
Ας δούμε τώρα τι επιπτώσεις έχει αυτό το μοτίβο συμμετρίας για ένα σωματίδιο αδενοϊού, το οποίο σχετίζεται με αναπνευστικές ασθένειες στον άνθρωπο. Το ηλεκτρονικό μικροσκόπιο δείχνει ότι η επιφάνεια του σωματιδίου αποτελείται από κανονικά διατεταγμένες δομικές μονάδες που μοιάζουν με μικροσκοπικές μπάλες. Επιπλέον, αυτές οι σφαίρες φαίνονται στις κορυφές, τις έδρες και τις ακμές ενός εικοσάεδρου [δείτε την επάνω εικόνα σε αυτήν τη σελίδα]. Μπορεί κανείς να αναγνωρίσει ορισμένες σφαίρες που περιβάλλονται από πέντε γείτονες, γεγονός που υποδηλώνει ότι βρίσκονται σε κορυφές και επομένως σε άξονες πενταπλάσιας συμμετρίας. Οι σφαίρες που περιβάλλονται από έξι γείτονες πρέπει να βρίσκονται σε έδρες ή ακμές και επομένως πρέπει να καταλαμβάνουν άξονες τριπλάσιας ή διπλάσιας συμμετρίας. Κατά μήκος κάθε ακμής υπάρχουν έξι σφαίρες, συμπεριλαμβανομένων δύο σφαιρών που καταλαμβάνουν κορυφές. Για να υπολογίσουμε τον συνολικό αριθμό σφαιρών που καλύπτουν ολόκληρο το εικοσάεδρο, εφαρμόζουμε τον απλό τύπο 10(n-1)2+2, όπου n είναι ο αριθμός των σφαιρών κατά μήκος μιας ακμής. Αντικαθιστώντας με n = 6 προκύπτει 252 ως ο αριθμός των μορφολογικών μονάδων που αποτελούν το κέλυφος του σωματιδίου του αδενοϊού.
Για λόγους περιγραφής (και για να αποφύγουμε τον όρο «υπομονάδα», ο οποίος μπορεί να εφαρμοστεί σε μορφολογικά, δομικά ή χημικά χαρακτηριστικά), θα υιοθετηθεί η ορολογία που προτείνεται για τα διάφορα ιικά συστατικά [βλέπε παρακάτω εικόνα αριστερά στη σελίδα]. Οι μορφολογικές μονάδες που αποτελούν το κέλυφος έχουν ονομαστεί «καψομερή». Το ίδιο το κέλυφος είναι το «καψίδιο». Η περιοχή μέσα στο καψίδιο είναι ο «πυρήνας». Η εξωτερική μεμβράνη, που φαίνεται να περιβάλλει το καψίδιο ορισμένων ιών, είναι το «περίβλημα».
Ένα πλεονέκτημα της τεχνικής αρνητικής χρώσης είναι ότι το πυκνό σε ηλεκτρόνια υλικό είναι ικανό να διεισδύσει σε εξαιρετικά μικρές περιοχές μεταξύ, ακόμη και μέσα, των καψομερίων. Ένα εντυπωσιακό παράδειγμα τέτοιας διείσδυσης μπορεί να φανεί στην ηλεκτρονική μικρογραφία του ιού του έρπητα που φαίνεται στη μέση αριστερά στην προηγούμενη σελίδα (Στον άνθρωπο, ο ιός του έρπητα προκαλεί, μεταξύ άλλων, «έρπητα».) Ηλεκτρονικές μικρογραφίες του σκιασμένου σωματιδίου έδειξαν ότι είχε το ίδιο εξωτερικό σχήμα και συμμετρία με τον αδενοϊό. Ωστόσο, όταν οι δύο ιοί χρωματίστηκαν αρνητικά και μεγεθύνθηκαν ακόμη περισσότερο, μπορούσε να φανεί με προσεκτική εξέταση ότι τα καψομερή του ιού του έρπητα, σε αντίθεση με αυτά του αδενοϊού, ήταν επιμήκη κοίλα πρίσματα, μερικά εξαγωνικά σε διατομή και άλλα πενταγωνικά. Σε ορισμένα σωματίδια, το φωσφορικό βολφραμικό διείσδυσε στην κεντρική περιοχή ή πυρήνα, που κανονικά περιέχει το νουκλεϊκό οξύ. Σε αυτά τα «κενά» σωματίδια, τα επιμήκη καψομερή ξεχωρίζουν καθαρά σε προφίλ στην περιφέρεια του ιού και μπορεί κανείς να δει την κοίλη μορφή τους και την ακρίβεια της ακτινικής τους διάταξης.
Από τις μικρογραφίες, ο αριθμός των καψομερών που βρίσκονται σε κάθε άκρη υπολογίστηκε σε πέντε, δίνοντας συνολικά 162 καψομερίδια για τον ιό του έρπητα. Από τα 162 καψομερίδια, 12 είναι πενταγωνικά πρίσματα και 150 είναι εξαγωνικά πρίσματα. Για να ικανοποιηθεί η διάταξη συσκευασίας σύμφωνα με την εικοσαεδρική συμμετρία, τα 12 πενταγωνικά πρίσματα θα έπρεπε να τοποθετηθούν στις γωνίες και τα 150 εξαγωνικά πρίσματα να βρίσκονται στις άκρες ή τις επιφάνειες του σωματιδίου [βλ. σχέδιο στη μέση δεξιά στην προηγούμενη σελίδα].
Η ανάγκη για πενταγωνικές μονάδες είναι βαθύτερη από την απλή ανάγκη ικανοποίησης της εικοσαεδρικής συμμετρίας. Όπως παρατήρησαν οι πρώτοι γεωμέτρες, δεν υπάρχει τρόπος να διαταχθεί ένα σύστημα εξαγώνων έτσι ώστε να περικλείουν χώρο. Αλλά αν πενταγωνικές μονάδες συμπεριληφθούν στα εξάγωνα, είναι δυνατό να περικλειστεί ο χώρος σχεδόν ατελείωτη ποικιλία τρόπων, με μορφές τόσο κανονικές όσο και ακανόνιστες. Οι ακτινολάριοι, μια ομάδα θαλάσσιων πρωτόζωων, παρέχουν ένα συναρπαστικό παράδειγμα ποικίλων δομών που συναρμολογούνται από πενταγωνικές και εξαγωνικές μονάδες [βλέπε παρακάτω εικόνα αριστερά στη σελίδα].
Οι ιοί που είναι μικρότεροι από τον ιό του έρπητα συνήθως έχουν λιγότερα καψομερή, αλλά η σχέση μεταξύ μεγέθους και αριθμού καψομερών είναι κάπως μεταβλητή. Ο ιός των πολυωμάτων, ο οποίος παράγει όγκους σε τρωκτικά και έχει προκαλέσει την αναζήτηση ιών στον ανθρώπινο καρκίνο, φαίνεται σχεδόν σφαιρικός όταν εξετάζεται με την τεχνική σκίασης. Παρ’ όλα αυτά, η αρνητική χρώση δείχνει ότι το εξωτερικό κέλυφος πιθανότατα αποτελείται από 42 επιμήκη γωνιακά καψομερή διατεταγμένα σε εικοσαεδρική συμμετρία [βλ. κάτω εικόνα στη σελίδα]. Ένα τέτοιο κέλυφος μπορεί να κατασκευαστεί τοποθετώντας 12 πενταγωνικά πρίσματα στις γωνίες ενός εικοσαέδρου και 30 εξαγωνικά πρίσματα στις 30 άκρες. Σε αυτήν την περίπτωση, οι 20 έδρες δεν έχουν δικά τους καψομερή, γεγονός που βοηθά στην εξήγηση της σχεδόν σφαιρικής εμφάνισης του ιού.
Στο ηλεκτρονικό μικροσκόπιο, ο ιός του κίτρινου μωσαϊκού του γογγυλιού, ο οποίος προκαλεί μια ασθένεια των φύλλων στο γογγύλι και σε συγγενικά φυτά, φαίνεται να έχει 32 καψομερή διατεταγμένα σύμφωνα με την κυβική συμμετρία Κρύσταλλοι του ίδιου ιού που μελετήθηκαν με περίθλαση ακτίνων Χ παρουσιάζουν επίσης κυβική συμμετρία, αλλά αυτή η μέθοδος υποδεικνύει ότι υπάρχουν 60 υπομονάδες αντί για 32. Αυστηρά μιλώντας, κανένας από τους δύο αριθμούς δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την κατασκευή ενός εικοσάεδρου. Αλλά και οι δύο αριθμοί υπομονάδων μπορούν να τοποθετηθούν συμμετρικά στην επιφάνεια ενός εικοσάεδρου. Ο μικρότερος αριθμός μπορεί να κατανεμηθεί τοποθετώντας 12 υπομονάδες στις γωνίες, 20 στις έδρες και καμία στις άκρες. (Τα 32 καψομερή θα μπορούσαν επίσης να τοποθετηθούν στις 32 κορυφές ενός δωδεκάεδρου πεντάκις ή ενός ρομβικού τριακόντα-δρόνου.) Ο μεγαλύτερος αριθμός μπορεί να κατανεμηθεί σύμφωνα με αυστηρή εικοσάεδρη συμμετρία τοποθετώντας δύο υπομονάδες σε κάθε μία από τις 30 άκρες και καμία σε γωνίες ή έδρες. Είναι προφανές ότι εάν τα δύο σχήματα ήταν διαφανή, το ένα θα μπορούσε να τοποθετηθεί πάνω από το άλλο και οι υπομονάδες του ενός θα έπεφταν ακριβώς ανάμεσα στις υπομονάδες του άλλου χωρίς επικάλυψη. Αυτό υποδηλώνει ότι οι 60 υπομονάδες που προκύπτουν από τα μοτίβα περίθλασης ακτίνων Χ μπορεί να συνδυάζονται με κάποιο τρόπο για να δώσουν την εμφάνιση 32 υπομονάδων όταν το σωματίδιο του ιού παρατηρείται στο ηλεκτρονικό
μικροσκόπιο. Έχει επομένως προταθεί ότι στους μικρούς σφαιρικούς ιούς τα μορφολογικά χαρακτηριστικά που διακρίνονται ως πεντάγωνα και εξάγωνα μπορεί στην πραγματικότητα να σχηματίζονται από μικρότερες δομικές υπομονάδες. Αυτές οι υπομονάδες μπορεί να μην είναι όλες πανομοιότυπες, αλλά μπορεί να αποτελούνται από δύο ή τρία διαφορετικά μοριακά είδη. Το διάγραμμα κάτω δεξιά στη σελίδα 50 δείχνει πώς τέτοιες υπομονάδες μπορούν να συναρμολογηθούν για να παράγουν πενταγωνικές και εξαγωνικές μονάδες, σε αυστηρή συμφωνία με την εικοσαεδρική συμμετρία. Η διάταξη που απεικονίζεται, ένας από τους διάφορους πιθανούς συνδυασμούς, προτάθηκε από τους A. Klug, D. L. D. Caspar και J. Finch του Πανεπιστημίου του Λονδίνου. Δείχνει πώς 42 καψομερή θα μπορούσαν να σχηματιστούν από 120 (ή 240) μικρότερες υπομονάδες. Πρόσφατα στοιχεία υποδηλώνουν ότι τα καψομερή σε ορισμένους από τους μεγαλύτερους ιούς συνδέονται μεταξύ τους με μικρές δομές που μπορεί κάλλιστα να αντιστοιχούν στις υπομονάδες.
Ηλεκτρονικές μικρογραφίες υψηλής ανάλυσης αποκάλυψαν ότι δομές που αρχικά αναγνωρίστηκαν ως καψομερή σε έναν πολύ μικρό ιό αποτελούνται πράγματι από ακόμη μικρότερες υπομονάδες. Ο ιός, γνωστός ως X174, έχει μελετηθεί εντατικά επειδή περιέχει μια ασυνήθιστη μονόκλωνη μορφή DNA [βλ. «Μονόκλωνο DNA», του Robert L. Sinsheimer· SCIENTIFIC AMERICAN, Ιούλιος 1962]. Όταν πρωτοεξετάστηκε στο ηλεκτρονικό μικροσσκόπιο, ο ιός φαινόταν να έχει ένα κέλυφος που αποτελείται από 12 σφαιρικά καψομερή, τον ελάχιστο αριθμό που απαιτείται για εικοσαεδρική συμμετρία. Πιο πρόσφατες ηλεκτρονικές μικρογραφίες δείχνουν ότι κάθε καψομερή σχηματίζεται από πέντε υπομονάδες, αλλά επειδή κάθε καψομερή μπορεί να είναι κοινά με κάποια γειτονικα, ο αριθμός των υπομονάδων είναι 30 [βλ. επάνω εικόνα στην απέναντι σελίδα]. Εάν δεν είναι κοινές και κάθε καψομερή αποτελείται από πέντε υπομονάδες, το σύνολο θα ήταν 60 και το σχήμα θα ήταν δωδεκαέδρου. Παρόμοιες υπομονάδες μικρότερες από τα καψομερή έχουν παρατηρηθεί σε ηλεκτρονικές μικρογραφίες του ιού της πολιομυελίτιδας, αλλά δεν έχει ακόμη καταστεί δυνατό να μετρηθούν με ακρίβεια [βλ. κάτω εικόνα στην απέναντι σελίδα]
Η δεύτερη ευρεία ομάδα ιών που θα συζητήσω είναι αυτοί που έχουν ελικοειδή συμμετρία. Ο πιο γνωστός από αυτήν την ομάδα είναι αναμφισβήτητα ο ιός που προκαλεί τη μωσαϊκή ασθένεια του καπνού. Η ελικοειδής δομή του αρχικά συνήχθη από δεδομένα περίθλασης ακτίνων Χ. Αυτά τα δεδομένα, σε συνδυασμό με στοιχεία από άλλες φυσικές και χημικές παρατηρήσεις, έχουν οδηγήσει σε μια λεπτομερή γνώση της αρχιτεκτονικής του μωσαϊκού του καπνού. Οι υπομονάδες φαίνεται να είναι επιμήκεις δομές έτσι διατεταγμένες ώστε περίπου 16 υπομονάδες να σχηματίζουν μια στροφή μιας έλικας. Οι υπομονάδες προεξέχουν από μια κεντρική αξονική οπή που διατρέχει όλο το μήκος του ιού. Το νουκλεϊκό οξύ του ιού δεν καταλαμβάνει την οπή, όπως θα περίμενε κανείς, αλλά είναι βαθιά ενσωματωμένο στις πρωτεϊνικές υπομονάδες και περιγράφει μια δική του έλικα. Ο ιός αποτελείται από 2.130 πανομοιότυπες πρωτεϊνικές υπομονάδες. Κάθε υπομονάδα είναι ένα μεγάλο μόριο που σχηματίζεται από τη σύνδεση 168 μορίων αμινοξέων. Το διάγραμμα της δομής του ιού, που φαινεται παρακάτω στη σελίδα, βασίζεται σε ένα μοντέλο των R. E. Franklin, Klug, Caspar και K. Holmes του Πανεπιστημίου του Λονδίνου.
Μέχρι πρόσφατα, η ελικοειδής συμμετρία παρατηρούνταν μόνο σε φυτικούς ιούς. Τώρα έχει βρεθεί και στους σύνθετους ζωικούς ιούς που ανήκουν στην ομάδα των μυξοϊών. Η ομάδα περιλαμβάνει τους ιούς της παρωτίτιδας, της νόσου του Newcastle (μια αναπνευστική ασθένεια των πτηνών), της πανώλης των πτηνών και της νόσου Sendai (μια μορφή γρίπης). Ηλεκτρονικές μικρογραφίες που δημιουργήθηκαν με την τεχνική σκίασης έδειξαν ότι αυτοί οι ιοί έχουν διάφορα σχήματα και μεγέθη. Μερικοί ήταν περίπου σφαιρικοί, άλλοι ήταν νημάτια και άλλοι ήταν πολύπλοκοι και ακανόνιστοι.
Λεπτές τομές καθαρισμένου ιού και σωματίδια που παρατηρήθηκαν στην επιφάνεια των μολυσμένων κυττάρων υποδηλώνουν την ύπαρξη ενός εσωτερικού συστατικού με τη μορφή δακτυλιοειδών δομών που περιβάλλονται από μια εξωτερική μεμβράνη. Πρόσφατες μελέτες που χρησιμοποίησαν το αρνητικό
Η μέθοδος χρώσης έδειξε ότι το εσωτερικό συστατικό, ή καψίδιο, έχει τις ίδιες διαστάσεις και εμφάνιση με τις ράβδους του ιού της μωσαϊκής του καπνού, αλλά είναι πιο εύκαμπτο. Αυτό είναι ιδιαίτερα εμφανές σε ηλεκτρονικές μικρογραφίες του ιού της παρωτίτιδας, οι οποίες δείχνουν ότι το ελικοειδές καψίδιο σχηματίζει σπείρες ή βρόχους μετά την απελευθέρωσή του. Τα σωματίδια της γρίπης και της πανώλης των πτηνών είναι πιο συμπαγή δομικά από τον ιό της παρωτίτιδας και, εκτός εάν υποβληθούν σε ειδική χημική επεξεργασία, σπάνια παρατηρούνται να απελευθερώνουν τα εσωτερικά τους συστατικά
Τα περιβλήματα του ιού της γρίπης και του ιού της πανώλης των πτηνών φέρουν επιφανειακές προεξοχές που προφανώς περιέχουν την πρωτεΐνη που είναι γνωστή ως αιμαγλουτινίνη, η οποία ονομάζεται έτσι επειδή προκαλεί τη συγκόλληση των ερυθρών αιμοσφαιρίων. Εάν αυτοί οι δύο ιοί υποβληθούν σε επεξεργασία με αιθέρα, η εσωτερική έλικα απελευθερώνεται και μπορεί να διαχωριστεί από την αιμαγλουτινίνη σε φυγόκεντρο. Όταν αυτό το εσωτερικό συστατικό μελετηθεί με ηλεκτρονική μικροσκοπία, διαπιστώνεται ότι έχει μικρότερη διάμετρο από αυτή των ιών της παρωτίτιδας, του ιού της νόσου του Newcastle και του ιού της νόσου Sendai. Το ακριβές μήκος των ελικοειδών συστατικών στους διάφορους myxo-ιούς δεν ήταν ακόμη γνωστό, ούτε ο τρόπος με τον οποίο συσκευάζονται μέσα στους φακέλους τους. Μια πιθανή διάταξη για έναν τυπικό μυξοϊό φαίνεται στο διάγραμμα στην παρακάτω εικόνα.
Η τελευταία από τις τρεις ευρείες ομάδες ιών είναι αυτές των οποίων η συμμετρία είναι πολύπλοκη. Αυτή η κατηγορία περιλαμβάνει τους μεγάλους βακτηριακούς ιούς, όπως τον ιό T2 που μολύνει το βακτήριο Escherichia coli, και τους ιούς της ευλογιάς. Ο ιός T2 και αρκετοί από τους συγγενείς του που ονομάζονται “T even” είναι ιδιαίτερα αξιοσημείωτοι επειδή περιέχουν κάποιο είδος συσταλτικού μηχανισμού, ένα χαρακτηριστικό που δεν έχει διακριθεί σε καμία άλλη οικογένεια ιών. Οι ηλεκτρονικές μικρογραφίες στο κάτω μέρος της σελίδας 54 δείχνουν ότι ο ιός T2 έχει κεφαλή σε σχήμα διπυραμιδικού εξαγωνικού πρίσματος. Στο ένα άκρο του πρίσματος προσαρτημένη είναι μια ουρά που αποτελείται από ένα ελικοειδές συσταλτικό περίβλημα που περιβάλλει έναν κεντρικό κοίλο πυρήνα. Στο άκρο του πυρήνα υπάρχει μια περίεργη εξαγωνική πλάκα που φέρει έξι λεπτές ίνες ουράς. Η δομή της πλάκας και οι ίνες ουράς πιθανώς έρχονται σε αρχική επαφή με το τοίχωμα του βακτηρίου που δέχεται επίθεση. Μετά την επαφή, το ελικοειδές περίβλημα συστέλλεται, επιτρέποντας στο νουκλεϊκό οξύ του ιού να εισέλθει στο βακτήριο. Η συστολή του περιβλήματος του T2 εγείρει πολλά συναρπαστικά ερωτήματα. Ολόκληρος ο ιός T2 φαίνεται να περιέχει μόνο μερικά διαφορετικά είδη πρωτεϊνικών μορίων. Αν αυτά κατανεμηθούν στην κατασκευή των διαφορετικών δομών – κεφαλή, θήκη, ουρά και ίνες ουράς – πρέπει κανείς να συμπεράνει ότι η συσταλτική θήκη αποτελείται μόνο από δύο ή το πολύ τρία διαφορετικά είδη πρωτεΐνης. Πώς μπορούν τόσο λίγα είδη δομικών στοιχείων να παράγουν μια θήκη με συσταλτική ικανότητα; Ποιες ουσίες πυροδοτούν τη συστολή; Και πώς σχετίζεται η συστολή με την εκτίναξη του μακρού μορίου DNA που είναι σφιχτά συσκευασμένο στον πυρήνα T2;
Ακόμα μεγαλύτεροι ιοί με πολύπλοκη συμμετρία είναι αρκετά σημαντικά μέλη της οικογένειας των ιών της ευλογιάς: οι ιοί της ευλογιάς, της δαμαλίτιδας, της αγελάδας και της εκτρομέλιας. Είναι από τους λίγους ιούς αρκετά μεγάλους ώστε να φαίνονται στο οπτικό μικροσκόπιο. Σε πρώιμες σκιασμένες ηλεκτρονικές μικρογραφίες, ο ιός της δαμαλίτιδας φαινόταν να έχει τρισδιάστατο σχήμα σαν τούβλο με μια σφαιρική πυκνή κεντρική περιοχή. Πιο λεπτομερείς μελέτες του ιού που παρατηρήθηκαν σε μολυσμένα κύτταρα μετά από χρώση και λεπτή τομή αποκάλυψαν μορφολογικά χαρακτηριστικά που δεν παρατηρήθηκαν σε άλλους ιούς.
Εικόνα: Ο ιός της δαμαλίτιδας, ένας από τους γιγάντιους ιούς της ευλογιάς, έχει περίπου διπλάσια διάμετρο από τα μικρότερα ζωντανά κύτταρα, τα οποία είναι γνωστά ως οργανισμοί που μοιάζουν με πλευροπνευμονία. Η μεγέθυνση είναι 400.000 διάμετροι. Ο ιός ORF, ένας άλλος ιός της ευλογιάς, έχει συστατικά τυλιγμένα σε διασταυρούμενο μοτίβο. Η μεγέθυνση είναι 450.000 φορές.
Η κεντρική πυκνή περιοχή φαινόταν να περιβάλλεται από έναν αριθμό στρωμάτων ή μεμβρανών ποικίλης αδιαφάνειας στη δέσμη ηλεκτρονίων. Σε ορισμένες μικρογραφίες, σωληνοειδείς δομές μπορούσαν να παρατηρηθούν μεταξύ των εξωτερικών μεμβρανών και της κεντρικής περιοχής. Οι ηλεκτρονικές μικρογραφίες παρακάτω απεικονίζουν τις δομικές παραλλαγές που υπάρχουν μεταξύ δύο μελών της ομάδας της ευλογιάς. Στα σωματίδια του ιού που προκαλεί λοιμώδη φλυκταινώδη δερματίτιδα, τα σωληνοειδή συστατικά σχηματίζουν ένα σαφές διασταυρούμενο μοτίβο. Είναι δύσκολο να πούμε αν οι σωληνοειδείς δομές πρέπει να περιγραφούν ως καψίδια ή ως καψομερή, ούτε μπορεί κανείς να πει ακριβώς πού βρίσκεται το νουκλεϊκό οξύ σε σχέση με αυτά
Το ηλεκτρονικό μικροσκόπιο, μαζί με άλλες μεθόδους, έχει συμβάλει σημαντικά στη μελέτη των ιών και έχει δείξει ότι ανήκουν σε μια εκπληκτική ποικιλία μαθηματικά ταξινομημένων οικογενειών. Εδώ και πολλά χρόνια, φυσικά, είναι κατανοητό ότι οι πρωτεΐνες είναι ευέλικτα δομικά στοιχεία και ότι ευθύνονται για την τεράστια ποικιλομορφία των ζωντανών μορφών. Αλλά χρειάστηκε το ηλεκτρονικό μικροσκόπιο για να αποκαλύψει άμεσα ποιες περίπλοκες και εξαιρετικές δομές μπορούν να δημιουργηθούν συνδυάζοντας μόνο λίγα είδη πρωτεϊνικών μορίων.
