Uno stagno in estate può rivelare di più su un pesce di uno stagno in inverno. Il pesce che vive in condizioni di ghiaccio potrebbe rimanere immobile quanto basta per studiarne le squame, ma per capire come nuota e si comporta il pesce, ha bisogno di muoversi liberamente in tre dimensioni. Lo stesso vale per l'analisi di come gli elementi biologici, come virus, muoversi nel corpo umano, secondo un gruppo di ricerca guidato da Deb Kelly, Huck Chair in Molecular Biophysics e professore di ingegneria biomedica alla Penn State, che ha utilizzato la tecnologia avanzata di microscopia elettronica (EM) per vedere come i virus umani si muovono ad alta risoluzione in un ambiente quasi nativo. La tecnica di visualizzazione potrebbe portare a una migliore comprensione di come si comportano e funzionano i candidati vaccini e i trattamenti mentre interagiscono con le cellule bersaglio, ha detto Kelly.

Nel tentativo di ampliare gli strumenti a disposizione degli scienziati per studiare il mondo microscopico, ricercatori hanno registrato dal vivo, Film di 20 secondi di virus umani che galleggiano in un liquido con dettagli quasi atomici in un microscopio elettronico. Lo stesso grado di informazione, immediatamente disponibili mentre registrano, possono essere necessarie fino a 24 ore per l'acquisizione utilizzando i tradizionali metodi di imaging statico. Il loro approccio e i risultati sono stati resi disponibili online il 24 luglio in Materiale avanzato .

"La sfida rimaneva quella di visualizzare i materiali biologici in sistemi dinamici che riflettessero le loro autentiche prestazioni nel corpo, " ha detto Kelly, che dirige anche il Penn State Center for Structural Oncology. "I nostri risultati mostrano nuove strutture e informazioni attive sui virus umani contenuti in minuscoli volumi di liquido, delle stesse dimensioni delle goccioline respiratorie che diffondono SARS-CoV-2".

La microscopia elettronica criogenica (crio-EM) sta diventando il gold standard del settore per l'osservazione di campioni con o oltre la risoluzione atomica, secondo Kelly. La tecnica prevede il congelamento rapido del campione e la focalizzazione di un fascio di elettroni attraverso di esso. Gli elettroni e i componenti del campione interagiscono, che viene catturato da rilevatori incorporati nello strumento. È possibile elaborare migliaia di immagini per calcolare l'aspetto dell'oggetto in 3D, ma è necessario altro per comprendere appieno come funziona l'oggetto in un ambiente più naturale.

"Mentre la crio-EM può fornirci molte informazioni, produce ancora un'immagine statica, " ha detto GM Jonaid, il primo autore dell'articolo e uno studente del Bioinformatics and Genomics Graduate Program negli Huck Institutes of the Life Sciences. Jonaid sta conducendo la sua ricerca sulla tesi di dottorato nel laboratorio di Kelly. "Con chip migliorati e un potente rivelatore diretto sul microscopio, possiamo accumulare molti fotogrammi di film per vedere come agisce il campione in tempo reale. Possiamo vedere le cose come esistono, non solo come le abbiamo preparate".

I ricercatori hanno utilizzato il virus adeno-associato (AAV) come sistema modello per dimostrare il loro approccio. L'AAV è una nanoparticella biologica che può essere utilizzata per aiutare a somministrare vaccini o trattamenti direttamente alle cellule. La piattaforma si basa su un adenovirus dirottato, che può facilmente entrare in diversi tipi di cellule. La facilità con cui interagisce con le cellule lo rende una capsula utile per trasportare il suo carico utile ingegnerizzato.

"AAV è un noto, veicolo di terapia genica con le attuali applicazioni coinvolte nella somministrazione di farmaci e nello sviluppo di vaccini per COVID-19, " ha detto Kelly. "Questo sistema modello è già ben studiato, quindi possiamo usarlo per convalidare il nostro approccio con l'obiettivo di vedere i diritti biologici allo stato liquido, come mantenuto nel corpo umano."

I ricercatori hanno applicato minuscoli volumi di soluzione liquida contenente AAV ai pozzetti di microchip di nitruro di silicio specializzati, fornito commercialmente da Protochips Inc. Hanno quindi posizionato i gruppi di microchip nell'EM per esaminare i virus in azione.

"Le immagini sono molto paragonabili ai dati crio-EM, ma la preparazione era meno complessa, meno tecnicamente coinvolti, " ha detto Jonaid. "Una volta che abbiamo avuto le immagini, preso rapidamente, come fotogrammi di un film, li abbiamo elaborati proprio come faremmo con qualsiasi altro dato ad alta risoluzione."

I risultati sono stati video di AAV in movimento in un liquido, con sottili cambiamenti nella superficie della particella, suggerendo che le proprietà fisiche della particella cambiano mentre esplora il suo ambiente, ha detto Kelly. La risoluzione era vicina a tre o quattro Angstrom (un singolo atomo è misurato come un Angstrom).

Una volta che hanno dimostrato che le strategie di imaging hanno funzionato, i ricercatori hanno messo gli occhi su un obiettivo più piccolo:gli anticorpi prodotti dai pazienti COVID-19.

"Abbiamo visto come gli anticorpi contenuti nel siero dei pazienti COVID-19 hanno interagito con le restanti particelle SARS-CoV-2, "Kelly ha detto, osservando che la capacità di osservare tali interazioni sarebbe particolarmente utile quando si valuta la fattibilità dei candidati al vaccino prima delle sperimentazioni cliniche.

Kelly e il suo team hanno in programma di continuare a studiare le basi molecolari di SARS-CoV-2 e delle proteine ​​del recettore ospite utilizzando la fase liquida-EM, come complemento alle informazioni raccolte dai risultati della crio-EM.

"Hai davvero bisogno dei dati di entrambe le tecniche per capire come appaiono e si comportano i virus nel corpo vivente, " Kelly ha detto. "La visualizzazione del movimento dinamico nella soluzione integra le istantanee ad alta risoluzione per rivelare informazioni più complete".