Symmetry is a key principle in viral structures, especially the protein capsid shells. However, symmetry mismatches are very common, and often correlate with dynamic functionality of biological significance. The three-dimensional structures of two isometric viruses, bacteriophage phi8 and the archaeal virus SH1 were reconstructed using electron cryo-microscopy. Two image reconstruction methods were used: the classical icosahedral method yielded high resolution models for the symmetrical parts of the structures, and a novel asymmetric in-situ reconstruction method allowed us to resolve the symmetry mismatches at the vertices of the viruses. Evidence was found that the hexameric packaging enzyme at the vertices of phi8 does not rotate relative to the capsid. The large two-fold symmetric spikes of SH1 were found not to be responsible for infectivity. Both virus structures provided insight into the evolution of viruses. Comparison of the phi8 polymerase complex capsid with those of phi6 and other dsRNA viruses suggests that the quaternary structure in dsRNA bacteriophages differs from other dsRNA viruses. SH1 is unusual because there are two major types of capsomers building up the capsid, both of which seem to be composed mainly of single beta-barrels perpendicular to the capsid surface. This indicates that the beta-barrel may be ancestral to the double beta-barrel fold.Virukset koostuvat yksinkertaisimmillaan perimäaineksesta (DNA tai RNA) ja sitä suojaavasta proteiinikuoresta. Proteiinikuoren rakenne on usein symmetrinen: monta kopiota samaa proteiinia nivoutuu yhteen säännölliseen muodostelmaan. Symmetria on yleensä joko helikaalinen (kierreportaat), jolloin virus on sauvamainen, tai ikosahedraalinen (5- ja 6-kulmioista ommeltu jalkapallo), jolloin syntyy pallomaisia viruksia. On kuitenkin tavallista, että jotkin viruksen toiminnan kannalta tärkeät rakenteet eivät noudata symmetriaa. Jalkapallossa esimerkiksi on vain yksi venttiilin paikka, eli yksi nahkapalasista poikkeaa muista. Viruksen tapauksessa taas vastaavalla tavalla muista poikkeavassa paikassa saattaa olla perimäaineksen pakkaamiseen tarvittava koneisto.
Tässä työssä on tutkittu kahden pallomaisen viruksen, phi8:n ja SH1 kolmiulotteisia (3D) rakenteita. phi8 sairastuttaa erästä bakteeria, joka puolestaan sairastuttaa tiettyjä palkokasveja. SH1 sairastuttaa arkkieliöitä (bakteerien tapaisia yksisoluisia eliöitä), joita löytyy vaaleanpunaisista suolajärvistä Australiasta. Rakenteet määritettiin elektronimikroskooppikuvista laskennallisin keinoin. Perusajatus on, että kun kaksiulotteisissa mikroskooppikuvissa virus näkyy monesta eri suunnasta, nämä kuvat yhdistämällä saadaan selville viruksen 3D rakenne.
Virukset erottuvat heikosti mikroskooppikuvissa, joten myös laskettu 3D rakenne on epäselvä. Sitä voidaan kuitenkin selkeyttää käyttäen hyväksi symmetriaa. Tällöin oletetaan, että virus on täysin symmetrinen, mistä seuraa, että laskettu 3D rakenne näyttää virheellisesti ne osat, jotka eivät seuraa symmetriaa. Esimerkiksi jalkapallon venttiilin paikka saattaisi ilmaantua 12 eri paikkaan tai kadota kokonaan näkyvistä. Tässä työssä jatkokehitettiin menetelmää, jonka avulla voidaan saada oikea kuva ventiilinpaikoista. Menetelmää sovellettiin molempiin tutkittuihin viruksiin.
Virusten rakenteet kertovat niiden sukulaisuussuhteista, joten rakennetutkimus on myös sukututkimusta. Vain yhden phi8:n lähisukulaisen rakenne tunnettiin aiemmin, joten määritetty rakenne mahdollisti perheen sisäisen vertailun. SH1:n perheestä puolestaan ei ollut mitään tietoa, eikä sen rakennekaan nyt paljastanut varmuudella sen olevan sukua tunnetuille viruksille. On tosin mahdollista, että eräs yleinen viruskuoriproteiinityyppi on kehittynyt SH1:n tapaisen viruksen kuoresta
