Лютічний цикл: Клітинна автоматизація клітина за клітиною

П’ять кроків, що безперервно повторюються

Летючий цикл — це стандартний шлях, яким вірус відтворюється: захопити власну механіку господаря, змусити її виготовити тисячі вірусних копій, а потім знищити клітину для їхнього звільнення. Зазвичай його описують у п’яти етапах — прикріплення, проникнення, реплікація, збірка та лізис — і хоча молекулярні деталі значно відрізняються між бактерофагом, що інфікує бактерію, та вірусом, таким як гриповий, що інфікує тваринну клітину, абстрактна послідовність однакова для майже всіх літичних вірусів.

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

Період затемнення: присутній, але невидимий

Між проникненням і появою першого повного нового віріону знаходиться період затемнення — проміжок часу, протягом якого вірус однозначно активний всередині клітини, перенаправляючи рибосоми та полімерази на свій геном, але жодного інфекційного вірусного частици не можна виділити з клітини, якщо її розкрити та проаналізувати. Це не вірус, що ховається; це вірус, який існує у розібраному, проміжному стані — чистий геном і окремі білкові компоненти — ще не упакований в інфекційну одиницю. Тривалість періоду затемнення варіюється надзвичайно, від десятків хвилин для деяких швидких бактеріофагів до багатьох годин для більш складних вірусів тварин, і встановлює жорсткий нижній ліміт того, як швидко одна уражена клітина може почати сприяти появі нових інфекційних частинок в популяції.

Розмір вибуху та форма поширення інфекції

Коли відбувається лізис, кількість віріонів, що вивільняються — розмір вибуху — є визначальним параметром для того, як швидко інфекція поширюється через популяцію клітин. Якщо вибух вивільняє у середньому більше однієї віріону, здатного успішно заразити нову клітину, інфекція зростає; якщо менше одне, то вона припиняється. Це порогове значення є аналогом числа репродукції R0, що використовується для опису епідемій на популяційному рівні в моделях SIR.

Моделювання як клітинний автомат

Оскільки процес є просторовим — інфікована клітина може реалістично заражати лише клітини, фізично розташовані поруч із нею, оскільки поширення вірусів має обмежений діапазон і тривалість життя — природним способом моделювання є клітинний автомат на основі сітки, де кожна клітина займає один з невеликої кількості дискретних станів і проходить через них за фіксованим або випадковим інтервалом часу:

стани клітин: ЗДОРОВА –> ІНФІКОВАНА (затемнення) –> ВИРОБНИЧА –> РОЗЛАМУВАННЯ –> (порожнє) кожен такт: для кожної клітини з станом ІНФІКОВАНА/ВИРОБНИЧА, просувайте внутрішній таймер коли закінчується таймер затемнення: клітина стає ВИРОБНИЧОЮ коли закінчується таймер виробництва: клітина РОЗЛАМУЄТЬСЯ -- розсіюйте burst_size нових вірусних частинок у сусідство, розповсюджуючися назовні з певною ймовірністю розкладання на кожному кроці вірусна частинка, що досягає клітини ЗДОРОВОЇ, інфікує її з певною ймовірністю пропорційною локальній концентрації вірусів Цей просторовий, дискретний-становий модель захоплює те, чого не вловила класична модель диференціальних рівнянь добре змішаної динаміки вірусів (яка припускає, що кожна клітина однаково піддається впливу кожного вірусу) — локальну структуру. Інфекція на 2D шарі тканини поширюється як приблизно коловий фронт, радіус якого зростає лінійно з часом, а не експоненційне зростання, яке передбачає модель добре змішаної системи, оскільки більшість вірусів, випущених поблизу центру вже інфікованого регіону, приземляються на клітини, які вже інфіковані або мертві, і лише віруси біля розширюючогося краю знаходять свіжі, здорові клітини для зараження. Просторова структура сама по собі, незалежно від будь-яких змін у фундаментальній біології, сповільнює епідемію.

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

Чому це має значення за межами однієї інфекції

Однаковість періоду затемнення плюс розмір вибуху лежить в основі того, як вірологи інтерпретують планківі апроксимації, стандартну лабораторну техніку для підрахунку інфекційних вірусів: один вірус атакує одну клітину на газоні культивованих клітин, літичний цикл повторюється локально точно так само, як описано вище, і видимий чіткий «пластир», який утворюється, є буквально просторовою хвильовою структурою, яку відтворює ця симуляція, збільшена до розміру, достатнього для спостереження неозброєним оком після двох днів інкубації.

Frequently asked questions

Спробуйте наживо

Усе, що вище, працює прямо у вашому браузері — відкрийте Virus Lytic Cycle і змінюйте параметри під час роботи. Нічого не встановлюється, нічого не завантажується на сервер, уся модель живе в одній вкладці.