Delikatna struktura zamrożonego wirusa

Udoskonalając nową technikę obrazowania i wykorzystując potężną sieć komputerową, naukowcy rzucili okiem na trójwymiarową strukturę wirusa z niespotykaną dotąd szczegółowością. Obrazy, które przechwytują wirusa w stanie zbliżonym do natywnego, mają wystarczająco dobrą rozdzielczość, aby można było prześledzić szkielety poszczególnych białek – wyczyn, jakiego nigdy wcześniej nie osiągnięto w przypadku całego, nienaruszonego organizmu.

Geografia wirusa: Przy użyciu techniki zwanej kriomikroskopią elektronów pojedynczych cząstek, otoczka białkowa wirusa epsilon 15, nazywana kapsydem, została zobrazowana z niespotykaną dotąd szczegółowością.

To poważny rozwój, mówi Paul Matsudaira , dyrektor Centrum BioImaging przy Instytut Badań Biomedycznych Whitehead , który nie był zaangażowany w pracę.

To szczególne osiągnięcie jest w zasadzie przykładem tego, jak ta technika rozwinęła się do poziomu, który jest zbliżony do rozdzielczości atomowej, i który pozwala nam zobrazować prawdziwego żywego zakaźnego wirusa w środowisku zbliżonym do rodzimego, mówi Wen Jiang , adiunkt nauk biologicznych at Uniwersytet Purdue , który prowadził badanie. Wyniki ukazały się w numerze czasopisma z 28 lutego Natura .

Technika ta, zwana jednocząstkową kriomikroskopią elektronową, polega na szybkim zamrażaniu całych wirusów w roztworze wodnym, co pozwala na zachowanie ich naturalnej struktury. Proces zamrażania jest tak szybki, że powstający lód jest amorficzny, a nie krystaliczny, co oznacza, że ​​nie ma kryształków lodu, które mogłyby uszkodzić cząsteczki wirusa. Zamrożona próbka jest następnie bombardowana wiązką elektronów z mikroskopu elektronowego.

Multimedialne

• Zobacz inne zdjęcia wirusa.

• Obejrzyj film przedstawiający model wirusa.

Uzyskane obrazy umożliwiły naukowcom rozróżnienie struktur znajdujących się tak blisko siebie, jak 4,5 angstremów. Niecałe pół nanometra odległość ta jest wystarczająco mała, aby ujawnić szczegóły na poziomie zbliżonym do atomu. Wcześniejsze obrazy tego samego wirusa, również wygenerowane przez grupę Jianga, dawały rozdzielczość około 9,5 angstremów – wystarczająco dobrą, aby naświetlić niektóre wielkoskalowe cechy poszczególnych białek, ale niewystarczającą do śledzenia szkieletów tych białek.

W innych typach obrazowania struktury, które mają być zobrazowane – czy to całe wirusy, czy złożone zespoły białek – muszą być ułożone tak, aby wszystkie poszczególne cząstki były zorientowane dokładnie w tym samym kierunku. Proces ten wymaga zaawansowanych technik krystalizacji, na które wiele struktur, w tym wirus użyty w tym badaniu, nie jest podatnych.

Wirus, zwany epsilon 15, należy do rodziny wirusów, które infekują bakterie i mają dwuniciowe genomy i ogony DNA. Kiedy masz wystający ogon, krystalizacja jest dość trudna, mówi Jiang.

Kriomikroskopia elektronów pojedynczych cząstek całkowicie eliminuje etap krystalizacji. Wiele cząstek, które mają być zobrazowane, jest układanych i obrazowanych w losowych orientacjach, a następnie z dziesiątek tysięcy tych obrazów składa się jeden złożony trójwymiarowy model. W rzeczywistości im więcej orientacji zostanie uchwyconych, tym lepszy będzie model.

Daje możliwość rozwiązywania struktur, których nie można skrystalizować, mówi Matsudaira.

Podejście jednocząsteczkowe poprawia również jakość obrazu, chroniąc stosunkowo delikatne wirusy przed znaczną degradacją przez wiązkę elektronów mikroskopu. Ponieważ ostateczny model składa się z obrazów dużej liczby cząsteczek wirusa, żadna pojedyncza cząsteczka nie może być bombardowana wystarczająco długo, aby spowodować poważne uszkodzenia.

Złożenie wielu obrazów w kompozyt wymaga ogromnej mocy obliczeniowej. Jiang i jego grupa wykorzystali pulę Condor Purdue, zasób, który wykorzystuje bezczynne cykle procesora z komputerów w całym kampusie. W sumie projekt zajął około miliona godzin pracy procesora, rozłożonych na około 100 dni.

To właśnie ta moc obliczeniowa, wraz z udoskonaleniami oprogramowania do przetwarzania obrazu, pozwoliła naukowcom wygenerować model o tak wysokiej rozdzielczości. Ponieważ dysponowali zasobami, aby obsłużyć ogromne ilości danych, mogli połączyć o wiele więcej obrazów w celu stworzenia kompozytu.

Wcześniejsze zastosowania kriomikroskopii elektronowej do modelowania struktur wirusów polegały na skrótach, takich jak założenie, że struktura wirusa będzie wysoce symetryczna. Dzięki puli Condor grupa Jianga była w stanie uniknąć takich uproszczeń w określaniu, jak pasują do siebie białka powierzchniowe wirusa.

Przeprowadzili czysty eksperyment, który polegał na rozwiązaniu struktury bez zakładania symetrii, mówi Matsudaira. To, jak twierdzi, najważniejsza innowacja projektu – nawet bardziej niż rozdzielczość 4,5 angstremów.

Na podstawie około 36 000 obrazów pojedynczych cząstek naukowcy poskładali model białkowej otoczki epsilon 15, znanej jako kapsyd. Wcześniejsze prace sugerowały, że kapsyd zawierał tylko jedno główne białko. Ale oprócz śledzenia szkieletu tego białka, nowy model ujawnił tajemnicze drugie białko – znacznie mniejsze niż pierwsze – którego nie przewidywały żadne wcześniejsze badania strukturalne ani biochemiczne.

Kiedy grupa ponownie przeanalizowała białka składowe wirusa przy użyciu bardziej czułej biochemicznej metody przesiewowej, rzeczywiście znaleźli dowody na mniejsze białko.

Jiang mówi, że ten wynik stawia konwencjonalną analizę strukturalną na głowie. Zwykle biochemiczny skład cząsteczki jest używany do wydobycia jej struktury. Tutaj struktura wirusa, ujawniona w tej potężnej nowej analizie, pomogła odkryć wcześniej przeoczoną cechę biochemiczną.

Zazwyczaj struktura opiera się na biochemii, mówi Matsudaira, ale było dokładnie odwrotnie.

W przyszłości Jiang ma nadzieję na dalszą poprawę rozdzielczości obrazów wytwarzanych za pomocą jednocząsteczkowej kriomikroskopii elektronowej. Przewiduje, że przez dalsze udoskonalanie oprogramowania i być może jeszcze większą moc obliczeniową, możliwe będzie osiągnięcie rozdzielczości trzech angstremów w ciągu najbliższych kilku lat. Ten poziom szczegółowości ujawniłby cechy na poziomie atomowym.

Poza epsilon 15 technikę tę można wykorzystać do tworzenia modeli strukturalnych innych, bardziej istotnych klinicznie wirusów. Laboratorium Jianga stosuje obecnie nowe podejście do wirusa Zachodniego Nilu i wirusa dengi. Opracowane struktury białkowe inne niż kapsydy wirusowe również byłyby idealnymi celami.

To tylko zarysowanie powierzchni tej techniki, mówi Jiang. Potencjał tej techniki jest o wiele większy niż dotychczas osiągnęliśmy.

ukryć