Forskere filmer menneskelige vira i væskedråber med næsten atomare detaljer

En dam om sommeren kan afsløre mere om en fisk end en dam om vinteren. Fisken, der lever under iskolde forhold, kan forblive stille nok til at studere dens skæl, men for at forstå, hvordan fisken svømmer og opfører sig, den skal frit bevæge sig i tre dimensioner. Det samme gælder for at analysere, hvordan biologiske genstande, såsom vira, bevæge sig i menneskekroppen, ifølge et forskerhold ledet af Deb Kelly, Huck Chair i Molecular Biophysics og professor i biomedicinsk teknik ved Penn State, som har brugt avanceret elektronmikroskopi (EM) teknologi til at se, hvordan menneskelige vira bevæger sig i høj opløsning i et næsten naturligt miljø. Visualiseringsteknikken kan føre til en forbedret forståelse af, hvordan vaccinekandidater og -behandlinger opfører sig og fungerer, når de interagerer med målceller, sagde Kelly.

I et forsøg på at udvide de værktøjer, videnskabsmænd har til at studere den mikroskopiske verden, forskere optog live, 20 sekunder lange film af menneskelige vira, der flyder i væske med næsten atomare detaljer i et elektronmikroskop. Samme grad af information, umiddelbart tilgængelige efterhånden som de optager, kan tage op til 24 timer at erhverve ved hjælp af traditionelle statiske billeddannelsesmetoder. Deres tilgang og resultater blev gjort tilgængelige online den 24. juli Avancerede materialer .

"Udfordringen forblev at se biologiske materialer i dynamiske systemer, der afspejler deres autentiske ydeevne i kroppen, " sagde Kelly, som også leder Penn State Center for Structural Oncology. "Vores resultater viser nye strukturer og aktiv indsigt i humane vira indeholdt i små mængder væske - samme størrelse som luftvejsdråber, der spreder SARS-CoV-2."

Kryogen elektronmikroskopi (cryo-EM) er ved at blive feltets guldstandard for observation af prøver ved eller uden for atomopløsning, ifølge Kelly. Teknikken involverer flashfrysning af prøven og fokusering af en elektronstråle igennem den. Elektronerne og prøvens komponenter interagerer, som opfanges af detektorer, der er indlejret i instrumentet. Tusindvis af billeder kan behandles for at beregne, hvordan elementet ser ud i 3D - men der skal mere til for fuldt ud at forstå, hvordan elementet fungerer i mere naturlige omgivelser.

"Mens cryo-EM kan fortælle os en masse information, det producerer stadig et statisk billede, " sagde GM Jonaid, avisens første forfatter og en studerende i Bioinformatics and Genomics Graduate Program i Huck Institutes of the Life Sciences. Jonaid udfører sin doktorafhandling i Kellys laboratorium. "Med forbedrede chips og en kraftig direkte detektor på mikroskopet, vi kan samle en masse filmbilleder for at se, hvordan eksemplet fungerer i realtid. Vi kan se tingene, hvordan de eksisterer - ikke kun hvordan vi forberedte dem."

Forskerne brugte adeno-associeret virus (AAV) som et modelsystem til at demonstrere deres tilgang. AAV er en biologisk nanopartikel, der kan bruges til at hjælpe med at levere vacciner eller behandlinger direkte til celler. Platformen er baseret på en kapret adenovirus, som nemt kan komme ind i flere slags celler. Den lethed, hvormed den interagerer med celler, gør den til en nyttig kapsel til at transportere dens konstruerede nyttelast.

"AAV er en velkendt, genterapivehikel med aktuelle applikationer involveret i lægemiddellevering og vaccineudvikling for COVID-19, " sagde Kelly. "Dette modelsystem er allerede velundersøgt, så vi kan bruge det til at validere vores tilgang med det mål at se biologiske rettigheder i flydende tilstand, som opretholdes i den menneskelige krop."

Forskerne påførte små mængder flydende opløsning indeholdende AAV til brøndene af specialiserede siliciumnitrid-mikrochips, kommercielt leveret af Protochips Inc. De placerede derefter mikrochipsamlingerne i EM for at undersøge vira i aktion.

"Billederne er meget sammenlignelige med cryo-EM-data, men forberedelsen var mindre kompleks, mindre teknisk involveret, " sagde Jonaid. "Når vi havde fået billederne, taget hurtigt, som rammer i en film, vi behandlede dem ligesom alle andre højopløsningsdata."

Resultaterne var videoer af AAV bevæger sig i væske, med subtile ændringer i partiklens overflade, tyder på, at partiklens fysiske egenskaber ændrer sig, når den udforsker sit miljø, sagde Kelly. Opløsningen var tæt på tre til fire Ångstrøm (et enkelt atom måles som en Ångstrøm).

Når de beviste, at billedbehandlingsstrategierne virkede, forskerne retter sig mod et mindre mål:antistoffer produceret af COVID-19-patienter.

"Vi så, hvordan antistoffer indeholdt i serum fra COVID-19-patienter interagerede med de resterende SARS-CoV-2-partikler, "Kelly sagde, bemærker, at evnen til at observere sådanne interaktioner vil være særlig nyttig ved vurdering af levedygtigheden af ​​vaccinekandidater forud for kliniske forsøg.

Kelly og hendes team planlægger at fortsætte med at undersøge det molekylære grundlag for SARS-CoV-2 og værtsreceptorproteiner ved hjælp af flydende fase-EM, som et supplement til informationen fra cryo-EM resultater.

"Du har virkelig brug for data fra begge teknikker for at forstå, hvordan vira ser ud og opfører sig i den levende krop, "Kelly sagde. "Visualisering af den dynamiske bevægelse i løsningen komplementerer snapshots i høj opløsning for at afsløre mere fuldstændig information."