Et vindue i nanoskala til den biologiske verden

Hvis nøglen til at vinde kampe er at kende både din fjende og dig selv, så er videnskabsmænd nu godt på vej mod at blive medicinens Sun Tzus ved at tage et kæmpe skridt mod en uvurderlig fordel – evnen til at se soldaterne i aktion på slagmarken.

Efterforskere ved Virginia Tech Carilion Research Institute har opfundet en måde at direkte afbilde biologiske strukturer på deres mest fundamentale niveau og i deres naturlige levesteder. Teknikken er et stort fremskridt hen imod det ultimative mål med at afbilde biologiske processer i aktion på atomniveau.

"Det er lidt ligesom forskellen mellem at se Han Solo frosset i karbonit og se ham gå rundt og sprænge stormtropper, " sagde Deborah Kelly, en adjunkt ved VTC Research Institute og en hovedforfatter på papiret, der beskriver den første vellykkede test af den nye teknik. "Ser vi vira, for eksempel, i aktion i deres naturlige miljø er uvurderlig."

Teknikken går ud på at tage to siliciumnitrid-mikrochips med vinduer ætset i deres centre og presse dem sammen, indtil der kun er 150 nanometer mellem dem. Forskerne fylder derefter denne lomme med en væske, der ligner det naturlige miljø i den biologiske struktur, der skal afbildes, skabe et mikrofluidkammer.

Derefter, fordi frit svævende strukturer giver billeder med dårlig opløsning, forskerne belægger mikrochippens indre overflade med et lag af naturlige biologiske tøjringer, såsom antistoffer, som naturligt griber en virus og holder den på plads.

I en nylig undersøgelse i Lab on a Chip , Kelly sluttede sig til Sarah McDonald, også adjunkt ved VTC Research Institute, at bevise, at teknikken virker.

McDonald leverede en ren prøve af rotavirus-dobbeltlagspartikler til undersøgelsen.

"Det, der mangler inden for strukturel biologi lige nu, er dynamik - hvordan tingene bevæger sig i tiden, " sagde McDonald. "Debbie udvikler teknologier til at bygge bro over det kløft, fordi det helt klart er det næste store gennembrud, som strukturel biologi har brug for."

Rotavirus er den mest almindelige årsag til svær diarré blandt spædbørn og børn. I en alder af 5, næsten alle børn i verden er blevet smittet mindst én gang. Og selvom sygdommen plejer at være let at håndtere i den udviklede verden, i udviklingslande dræber rotavirus mere end 450, 000 børn om året.

På det andet trin i patogenets livscyklus, rotavirus afgiver sit ydre lag, som tillader den at komme ind i en celle, og bliver til det, man kalder en dobbeltlagspartikel. Når dets andet lag er blotlagt, virussen er klar til at begynde at bruge cellens egen infrastruktur til at producere flere vira. Det var den virale struktur på dette stadium, som forskerne afbildede i det nye studie.

Kelly og McDonald beklædte det indvendige vindue af mikrochippen med antistoffer mod virussen. Antistofferne, på tur, låst på rotavirusserne, der blev injiceret i mikrofluidkammeret og holdt dem på plads. Forskerne brugte derefter et transmissionselektronmikroskop til at afbilde det forberedte objektglas.

Teknikken fungerede perfekt.

Forsøget gav resultater, der lignede dem opnået ved brug af traditionelle frysemetoder til at forberede rotavirus til elektronmikroskopi, beviser, at den nye teknik kan levere præcise resultater.

"Det er første gang, videnskabsmænd har afbildet noget i denne skala i væske, " sagde Kelly.

Det næste skridt er at fortsætte med at udvikle teknikken med henblik på at afbilde biologiske strukturer dynamisk i aktion.

Specifikt, McDonald søger at forstå, hvordan rotavirus samler sig, for bedre at kende og udvikle værktøjer til at bekæmpe denne særlige fjende af børns sundhed.

Forskerne sagde, at deres igangværende samarbejde er et eksempel på det tværfaglige arbejde, der er ved at blive et kendetegn for VTC Research Institute.

"Det er et ideelt samarbejde, fordi Sarah leverer et fænomenalt modelsystem, hvormed vi kan udvikle nye teknologier til at flytte feltet mikrostrukturel biologi fremad, " sagde Kelly.

"Det er meget win-win, McDonald tilføjede. "Selvom virussen er et fantastisk værktøj for Debbie til at udvikle sine teknikker, hendes teknologi er afgørende for at give mig mulighed for at forstå, hvordan denne dødelige virus samler sig og ændrer sig dynamisk over tid."