Пруд летом может рассказать о рыбе больше, чем пруд зимой. Рыба, живущая в ледяных условиях, может оставаться достаточно неподвижной, чтобы изучить ее чешую, но чтобы понять, как рыба плавает и ведет себя, ей нужно свободно перемещаться в трех измерениях. То же самое справедливо и для анализа того, как биологические объекты, такие как вирусы, перемещаются в организме человека, согласно исследовательской группе, возглавляемой Деб Келли, профессором молекулярной биофизики и профессором биомедицинской инженерии в Пенсильванском университете, которая использовала передовые технологии электронной микроскопии (EM), чтобы увидеть, как вирусы человека перемещаются в высоком разрешении в среде, близкой к родной. По словам Келли, метод визуализации может привести к улучшению понимания того, как кандидаты на вакцину и методы лечения ведут себя и функционируют при взаимодействии с клетками-мишенями.

В попытке расширить инструменты, которыми располагают ученые для изучения микроскопического мира, исследователи записали в электронный микроскоп живые 20-секундные фильмы о вирусах человека, плавающих в жидкости с почти атомарными деталями. Такой же объем информации, сразу же доступной по мере записи, может занять до 24 часов для получения с использованием традиционных методов статического изображения. Их подход и результаты были опубликованы в Интернете 24 июля в Расширенных материалах.

"Задача по-прежнему заключалась в том, чтобы рассматривать биологические материалы в динамических системах, отражающих их подлинные характеристики в организме", - сказал Келли, который также руководит Центром структурной онкологии штата Пенсильвания. "Наши результаты показывают новые структуры и активное понимание вирусов человека, содержащихся в мельчайших объемах жидкости—такого же размера, как дыхательные капли, которые распространяют SARS-CoV-2."

По словам Келли, криогенная электронная микроскопия (крио-ЭМ) становится золотым стандартом в этой области для наблюдения образцов с атомным разрешением или за его пределами. Метод включает в себя мгновенное замораживание образца и фокусировку пучка электронов через него. Электроны и компоненты образца взаимодействуют, что улавливается детекторами, встроенными в прибор. Тысячи изображений могут быть обработаны, чтобы рассчитать, как выглядит предмет в 3D, но для полного понимания того, как он функционирует в более естественной обстановке, требуется больше.

"Хотя крио-ЭМ может сообщить нам много информации, она все равно создает статичное изображение", - сказал Джонайд, первый автор статьи и студент аспирантуры по биоинформатике и геномике в Институтах наук о жизни Хака. Джонайд проводит свое докторское диссертационное исследование в лаборатории Келли. "Благодаря усовершенствованным чипам и мощному прямому детектору на микроскопе мы можем накапливать множество кадров для просмотра того, как образец действует в реальном времени. Мы можем видеть вещи такими, какие они есть, а не просто такими, какими мы их подготовили."

Исследователи использовали адено-ассоциированный вирус (AAV) в качестве модельной системы для демонстрации своего подхода. AAV-это биологическая наночастица, которая может быть использована для доставки вакцин или методов лечения непосредственно в клетки. Платформа основана на захваченном аденовирусе, который может легко проникать в несколько видов клеток. Легкость, с которой он взаимодействует с клетками, делает его полезной капсулой для транспортировки разработанной полезной нагрузки.

"AAV-это хорошо известное средство генной терапии с текущими приложениями, связанными с доставкой лекарств и разработкой вакцин для COVID-19", - сказал Келли. "Эта модельная система уже хорошо изучена, поэтому мы можем использовать ее для подтверждения нашего подхода с целью увидеть биологические объекты в жидком состоянии, как они сохраняются в организме человека."

Исследователи применили мельчайшие объемы жидкого раствора, содержащего AAV, к лункам специализированных микросхем из нитрида кремния, коммерчески поставляемых компанией Protochips Inc. Затем они поместили сборки микрочипов в ЭМ, чтобы изучить вирусы в действии.

"Изображения очень сопоставимы с данными криоэмиссии, но подготовка была менее сложной, менее технически сложной",-сказал Джонаид. "Как только у нас появились изображения, сделанные быстро, как кадры фильма, мы обработали их так же, как и любые другие данные с высоким разрешением."

По словам Келли, в результате были получены видеозаписи движения AAV в жидкости с незначительными изменениями поверхности частицы, свидетельствующими о том, что физические свойства частицы меняются по мере того, как она исследует окружающую среду. Разрешение было близко к трем-четырем Ангстремам (один атом измеряется как один Ангстрем).

Как только они доказали, что стратегии визуализации работают, исследователи нацелились на меньшую цель: антитела, вырабатываемые пациентами с COVID-19.

"Мы видели, как антитела, содержащиеся в сыворотке пациентов с COVID-19, взаимодействовали с оставшимися частицами SARS-CoV-2", - сказал Келли, отметив, что возможность наблюдать такие взаимодействия была бы особенно полезна при оценке жизнеспособности кандидатов на вакцину до клинических испытаний.

Келли и ее команда планируют продолжить изучение молекулярных основ SARS-CoV-2 и белков-рецепторов хозяина с использованием жидкой фазы-EM в качестве дополнения к информации, полученной из результатов крио-EM.

"Вам действительно нужны данные обоих методов, чтобы понять, как вирусы выглядят и ведут себя в живом организме", - сказал Келли. "Визуализация динамического движения в решении дополняет снимки с высоким разрешением, позволяющие получить более полную информацию."

ИСТОЧНИК