Questa immagine mostra la struttura dettagliata di un "picco" di un coronavirus che causa i sintomi del raffreddore, un parente più lieve del virus che causa il COVID-19. I picchi si legano ai recettori sulle cellule delle loro vittime per iniziare le infezioni. Sono costituiti da tre molecole proteiche, mostrato in blu, verde e arancione, costellato di molecole di zucchero (giallo) che svolgono un ruolo importante nel ciclo vitale del virus e nella sua capacità di eludere il sistema immunitario. Gli scienziati dello SLAC National Accelerator Laboratory e della Stanford University hanno realizzato l'immagine con un nuovo metodo che mostra i picchi nel loro stato naturale, producendo istantanee più rapide e realistiche dell'apparato infettivo. Credito:K. Zhang et al., Recensioni trimestrali sulla scoperta della biofisica, 2020
I coronavirus come quello che causa il COVID-19 sono costellati di "picchi" proteici che si legano ai recettori sulle cellule delle loro vittime, il primo passo nell'infezione. Ora gli scienziati hanno realizzato le prime immagini dettagliate di quei picchi nel loro stato naturale, mentre sono ancora attaccati al virus e senza utilizzare fissativi chimici che potrebbero deformarne la forma.
Dicono che il loro metodo, che combina la microscopia elettronica criogenica (crio-EM) e il calcolo, dovrebbe produrre istantanee più rapide e realistiche dell'apparato di infezione in vari ceppi di coronavirus, un passo fondamentale nella progettazione di farmaci e vaccini terapeutici.
"Il vantaggio di farlo in questo modo è che quando si purifica una proteina spike e la si studia isolatamente, si perde un importante contesto biologico:come appare in una particella virale intatta? Potrebbe avere una struttura diversa lì, " disse Wah Chiu, professore allo SLAC National Accelerator Laboratory del DOE e alla Stanford University e autore senior dello studio. Hanno descritto i loro risultati in Recensioni trimestrali Scoperta della biofisica .
È noto che sette ceppi di coronavirus infettano l'uomo. Quattro causano malattie relativamente lievi; gli altri tre, incluso SARS-CoV-2, il virus che causa il COVID-19, può essere mortale, ha detto il coautore Jing Jin, un esperto in biologia molecolare dei virus al Vitalant Research Institute di San Francisco. Gli scienziati di Vitalant cercano virus nei campioni di sangue e feci di esseri umani e animali, esaminare i campioni di sangue durante epidemie come l'attuale pandemia, e studiare le interazioni tra i virus ei loro ospiti.
Questa immagine rotante mostra la struttura dettagliata di un "picco" di un coronavirus che causa i sintomi del raffreddore, un parente più lieve del virus che causa il COVID-19. I picchi si legano ai recettori sulle cellule delle loro vittime per iniziare le infezioni. Sono costituiti da tre molecole proteiche, mostrato in blu, verde e arancione, costellato di molecole di zucchero (giallo) che svolgono un ruolo importante nel ciclo vitale del virus e nella sua capacità di eludere il sistema immunitario. Gli scienziati dello SLAC National Accelerator Laboratory e della Stanford University hanno realizzato l'immagine con un nuovo metodo che mostra i picchi nel loro stato naturale, producendo istantanee più rapide e realistiche dell'apparato infettivo. Credito:K. Zhang et al., Recensioni trimestrali sulla scoperta della biofisica, 2020
Il virus che causa il COVID-19 è così virulento che ci sono solo pochi laboratori di crio-EM al mondo in grado di studiarlo con un livello sufficientemente alto di controlli di biosicurezza, disse Jin. Quindi per questo studio, il team di ricerca ha esaminato un ceppo di coronavirus molto più mite chiamato NL63, che causa i comuni sintomi del raffreddore ed è responsabile di circa il 10% delle malattie respiratorie umane ogni anno. Si pensa che si leghi agli stessi recettori sulla superficie delle cellule umane del virus COVID-19.
Piuttosto che rimuovere chimicamente e purificare le proteine spike di NL63, i ricercatori si sono congelati interi, virus intatti in uno stato vetroso che preserva la disposizione naturale dei loro componenti. Quindi hanno realizzato migliaia di immagini dettagliate di virus orientati casualmente utilizzando strumenti crio-EM presso le strutture Cryo-EM di Stanford-SLAC, estratto digitalmente i bit che contenevano proteine spike, and combined them to get high-resolution pictures.
"The structure we saw had exactly the same structure as it does on the virus surface, free of chemical artifacts, " Jin said. "This had not been done before."
The team also identified places where sugar molecules attach to the spike protein in a process called glycosylation, which plays an important role in the virus's life cycle and in its ability to evade the immune system. Their map included three glycosylation sites that had been predicted but never directly seen before.
Although a German group has used a similar method to digitally extract images of the spike protein from SARS-CoV-2, Jin said, they had to fix the virus in formaldehyde first so there would be no danger of it infecting anyone, and this treatment may cause chemical changes that interfere with seeing the true structure.
Andando avanti, she said, the team would like to find out how the part of the spike that binds to receptors on human cells is activated, and also use the same technique to study spike proteins from the virus that causes COVID-19, which would require specialized biohazard containment facilities.
