Cykł lityczny: automat komórkowy komórka po komórce

Pięć etapów, nieskończenie powtarzanych

Cykl lityczny to standardowy sposób, w jaki wirus rozmnaża się: wykorzystuje maszynę komórki gospodarza, zmusza ją do budowania tysięcy kopii wirusa, a następnie zniszcza komórkę, aby uwolnić je. Zazwyczaj opisany jest w pięciu fazach — przylatki, penetracji, replikacji, tworzenia i lysisu — ale mimo że szczegółowe molecularne szczegóły różnią się znacząco między bakteriophage infectującym bakterię a wirusem jak influenza infectującym komórkę zwierzęcej, abstrakcyjna sekwencja jest taka sama prawie dla wszystkich litycznych wirusów.

1. ATTACHMENT   virion binds a specific receptor on the host cell surface
2. PENETRATION  the viral genome (and sometimes accessory proteins)
                enters the cell; the capsid may stay outside
3. REPLICATION  host machinery is redirected to copy the viral genome
                and translate viral proteins  -- the ECLIPSE PERIOD:
                no infectious virus is detectable inside the cell yet
4. ASSEMBLY     new genomes and capsid proteins self-assemble into
                complete virions
5. LYSIS        the cell membrane ruptures, releasing the BURST SIZE --
                often dozens to hundreds of new virions -- which go on
                to infect nearby cells

Okres totum: obecny, ale niezauważalny

Miedzy penetracją a pojawieniem się pierwszego pełnego nowego virionu leży okres totum — okres czasowy podczas którego wirus jest jasno widocznie aktywny wewnątrz komórki, przekierowując ribosomy i polimeryzatory ku swojej genomie, jednakże nie można odzyskać żadnej infekcyjnej cząsteczki wirusowej, gdybyśmy otworzyli komórkę i przeprowadzili na nią badanie. Nie ukrywa się tu wirusa; jest to wirus istniejący w rozmontowanym, pośrednim formie — odkrytym genomie i osobnymi czynnikami proteinowymi — który jeszcze nie został zaszyty do infekcyjnego jednostkowego formy. Długość okresu totum sięga od wielokrotnie minut dla niektórych szybkich bakteriophage’ów do wielu godzin dla bardziej skomplikowanych wirusów zwierzęcych, co ustawia niezmienniczą granicę dolną dotyczącą prędkości, z jakiej pojedyncza zainfekcionedna komórka może zacząć przyczyniać się nowymi infekcyjnymi cząsteczkami do populacji.

Rozmiar wybuchu i kształt rozprzestrzeniania się infekcji

Podczas lizy liczba virionów zwalczonych — rozmiar wybuchu — jest jednym z najważniejszych parametrów wpływających na szybkość rozprzestrzeniania się infekcji w populacji komórek. Jeśli średnio wybuch powoduje zwalczanie więcej niż jednego viriona zdolnego do pomyślnego infekcji nowej komórki, infekcja rośnie; jeśli średnio mniej niż jeden zda się na infekcję, infekcja zanika. Tę granicę można uznać za podobną do liczby reproductoryjnej podstawowej (R0), używanej w modelach typu SIR do opisania rozprzestrzeniania się epidemii na skalę populacyjną — taka sama logika procesu gałęziowego, ale operująca komórka po komórce zamiast osoba po os mAdapter: osoba -> osobie}

Modelowanie jako automat komórkowy

Z powodu faktu, że proces ten jest przestrzenny — infekcjonowana komórka może infikować tylko komórki fizycznie bliskie jej, ponieważ viriony rozpraszające się mają ograniczoną zasięg i krótki okres życia — naturalną metodą symulacji jest automat komórkowy oparty na siatce, w którym każda komórka zajmuje jedną z małej liczby stacjonalnych stanów i postępować może przez nie na zadanym lub losowym timerze:

stan komórek: ZDROWY -> INFECTED (eclipse) -> PRODUKCYJNY -> LYZOWA -> (puste) gołym tickiem: dla każdej INFECTED/PRODUKCYJNEJ komórki, zwiększa się jej wewnętrzny timer gdy wygasa timer eclipse: komórkę zmienia się na PRODUKCYJNA gdy wygasa timer produkcji: komórka LYZOWA — rozpraszona jest nowe cząstki virionów w okolicy, rozwijając się zewnątrz z pewnym prawem znikania na każdym kroku cząsteczka virionu dotykająca ZDROWEJ komórki infekcjonuje ją z pewnością proporcjonalną do lokalnej koncentracji virionów Ten rodzaj modelu przestrzennego, dyskretnego stanu uchwyci coś, czym completely missują klasyczne równania różniczkowe symetryczne w dynamicznych właściwościach wirusowych (które założone są, że każda komórka jest równomiernie dotknięta przez każdą cząsteczkę virionu): lokalną strukturę. Infekcja na płaszczyźnie dwuwymiarowej tkaniny rozprzestrzenia się jako zarys okrągłego frontu, którego promień rośnie liniowo ze czasem zamiast eksponencjalnego wzrostu przewidowanego przez model symetryczny w dynamicznych właściwościach, ponieważ większość virionów wydzielonych blisko środka obszaru infekcjonowanego spada na komórki już infekcjonowane lub zmarłe, a tylko viriony bliskie rozszerzającemu się krawędziom znajdują nowe, zdrowe komórki do infekcji. Samo struktura przestrzenna, niezależnie od jakichkolwiek zmian w podstawowej biologii, zrównoważa epidemię.

cell states: HEALTHY -> INFECTED (eclipse) -> PRODUCING -> LYSED -> (empty)

each tick:
  for every INFECTED/PRODUCING cell, advance its internal timer
  when the eclipse timer expires: cell becomes PRODUCING
  when the production timer expires: cell LYSES --
    scatter burst_size new virion particles into the neighbourhood,
    diffusing outward with some decay probability per step
  a virion particle reaching a HEALTHY cell infects it with some
    probability proportional to local virion concentration

Dlaczego to ważne poza pojedynczym infekcji

Taka sama struktura okresu eclipsy plus rozmiaru wybuchu podstawia się do interpretacji próbek plakowych, standardowej techniki laboratoriowej do liczenia wirusów zakaźnych: pojedynczy virion infekcji infectuje jedno komórkę w lawnie kulturowych komórek, cykl lityczny powtarza się lokalnie dokładnie tak jak opisano wyżej, a widoczne jasne "plaque", który wynika z tego, jest faktycznie wzorem falowym przestrzennego rozwoju, który ta symulacja reprezentuje, rosnąc do wielkości, aby można było go zobaczyć nago po kilku dniach incubacji.

Często zadawane pytania

Wypróbuj na żywo

Wszystko powyżej działa bezpośrednio w Twojej przeglądarce — otwórz The Viral Lytic Cycle i zmieniaj parametry podczas działania. Nic nie jest instalowane ani przesyłane na serwer, cały model działa w jednej karcie.