Structure and physico-chemical properties of bacteriophage G. II, The shape and symmetry of the capsid

Abstract

The shape of the capsid of phage G, active against B. megatherium, has been studied by electron microscopy using a variety of approaches including negative staining of whole particles, examination of stereoscopic micrographs, shadowing, observations on capsids devoid of their DNA content (‘ghosts’), short and prolonged fixation and the use of single and serial ultra-thin sections. The results were conflicting. With negative staining the appearance of the capsid was not consistent with an icosahedral shape but could be related to that of an octahedron. The shape of the capsid in ‘ghost’ preparations was definitely octahedral. However, after fixing for 1h or longer and shadowing, the capsids were clearly icosahedral in shape with their sides equal to about half the length of those of the octahedron seen by negative staining. The same results were obtained by the thin sectioning technique. From a study of the two types of geometrical figures it was found that an octahedral container can be transformed into an icosahedral one with sides of half the original length if it is folded inwards on itself at 6 consecutive points. If this type of effect occurred during the preparative procedure it would account for the two apparently conflicting appearances of the capsid. Such an effect would involve a marked change or ‘jump’ through an intermediate unstable form. While it would reconcile the different results it is emphasized that such an interpretation is essentially speculative. To illustrate the complexities of the problem, an interesting geometrical exercise is presented in the Appendix. La forme de la capside du bactériophage G, actif par rapport au mégathérium de type B, a étéétudiée en microscopie électronique par différentes méthodes, parmi lesquelles: coloration négative de particules entières, inspections de micrographies stéréoscopiques, ombrage, observations de capsides démunies de leur contenu en ADN (en quelque sorte des ‘capsides fantômes’), fixation de courtes et longues durées et examens de sections ultra-minces uniques puis ultérieurement en séries. Les résultats furent pour le moins contradictoires. Dans le cas de la coloration négative l'apparence de la capside n'était pas compatible avec une forme icosaédrique, mais pouvait s'apparenter à celle d'un octaèdre. La forme observée dans la préparation ‘capside fantôme’ était définitivement celle d'un octaèdre. Toutefois il apparut, après fixation d'une durée égale ou supérieure à 1 heure et suivie d'ombrage, que les capsides avaient une forme icosaédrique bien définie, avec des côtés d'une longueur environ moitié plus petite que ceux obtenus par coloration négative. Les mêmes résultats furent obtenus par la technique des sections minces. Il résulte d'une étude des deux types de formes géométriques qu'un volume de forme octaédrique peut être transformé en un volume de forme icosaédrique avec des côtés de longeurs moitiés de celles des côtés du volume primitif si celui-ci est replié vers l'intérieur à 6 points consécutifs. Une explication serait alors possible pour les formes contradictoires observées sur la capside si ce genre de phénomène a lieu pendant la procédure préparative. Un tel effet serait le résultat d'un saut par l'intermédiaire d'une forme transitoire métastable. Une telle interprétation serait des plus spéculatives même si elle pouvait réconcilier les différents résultats. Un exercice géométrique illustrant la complexité du problème est présenté dans l'appendice. Mit verschiedenen Verfahren wurde versucht, die Form der Hülle des gegen B. megatherium aktiven Bakteriophages G zu ermitteln. Unter anderen verwendete man Negativfärbung intakter Körperchen, Stereomikroaufnahmen, Schrägbedämpfung, leere Hüllen ohne DNS-Gehalt, kurze und längere Fixierungszeiten und ultradünne Einzel- oder Serienschnitte. Die Ergebnisse waren widerspruchsvoll. Nach Negativfärbung ließ das Aussehen der Hülle nicht auf ein Ikosaeder sondern deutlich auf ein Oktaeder schließen. Auch leere Hüllen zeigten eine deutliche Oktaederform. Nach einstündiger oder längerer Fixierung und anschließender Schrägbedämpfung hingegen war die Hülle ikosaedrisch. Die Kanten waren ungefähr halb so lang wie die des nach Negativfärbung sichtbaren Oktaeders. Die gleichen Ergebnisse erhielt man mit dem Dünnschnittverfahren. Wenn man die Geometrie der beiden Formen untersucht, kann ein Oktaeder in ein Ikosaeder verwandelt werden, wenn das Oktaeder an sechs Stellen eingeknickt wird. Sollte dies beim Präparieren geschehen, wären damit die widerspruchsvollen Ergebnisse erklärt. In diesem Fall müßte eine markante oder möglicherweise sprunghafte Wandlung mit instabilem Zwischenstadium stattfinden. Obwohl durch diese Erklärung beide Resultate in Einklang gebracht werden, wird betont, daß eine solche Auslegung rein spekulativ ist. Um die Komplexität des Problems zu verdeutlichen, befindet sich im Anhang eine interssante geometrische Übung.