Un estanque en verano puede revelar más sobre un pez que un estanque en invierno. Los peces que viven en condiciones heladas podrían permanecer lo suficientemente quietos como para estudiar sus escamas, pero para entender cómo nada y se comporta el pez, necesita moverse libremente en tres dimensiones. Lo mismo es cierto para analizar cómo los elementos biológicos, como virus, moverse en el cuerpo humano, según un equipo de investigación dirigido por Deb Kelly, Cátedra Huck de Biofísica Molecular y profesora de ingeniería biomédica en Penn State, que ha utilizado tecnología avanzada de microscopía electrónica (EM) para ver cómo los virus humanos se mueven en alta resolución en un entorno casi nativo. La técnica de visualización podría conducir a una mejor comprensión de cómo los candidatos a vacunas y los tratamientos se comportan y funcionan cuando interactúan con las células diana. Kelly dijo.

En un esfuerzo por expandir las herramientas que los científicos tienen para estudiar el mundo microscópico, investigadores graban en vivo, Películas de 20 segundos de duración de virus humanos flotando en un líquido con un detalle casi atómico en un microscopio electrónico. El mismo grado de información, inmediatamente disponibles a medida que graban, puede tardar hasta 24 horas en adquirirse con los métodos tradicionales de imágenes estáticas. Su enfoque y resultados se publicaron en línea el 24 de julio en Materiales avanzados .

"El desafío seguía siendo ver los materiales biológicos en sistemas dinámicos que reflejen su rendimiento auténtico en el cuerpo, "dijo Kelly, quien también dirige el Penn State Center for Structural Oncology. "Nuestros resultados muestran nuevas estructuras y conocimientos activos de los virus humanos contenidos en diminutos volúmenes de líquido, del mismo tamaño que las gotitas respiratorias que propagan el SARS-CoV-2".

La microscopía electrónica criogénica (cryo-EM) se está convirtiendo en el estándar de oro del campo para observar muestras en o más allá de la resolución atómica, según Kelly. La técnica consiste en congelar rápidamente la muestra y enfocar un haz de electrones a través de ella. Los electrones y los componentes de la muestra interactúan, que es capturado por detectores integrados en el instrumento. Se pueden procesar miles de imágenes para calcular cómo se ve el elemento en 3D, pero se necesita más para comprender completamente cómo funciona el elemento en un entorno más natural.

"Si bien cryo-EM puede brindarnos mucha información, todavía produce una imagen estática, "dijo GM Jonaid, primer autor del artículo y estudiante del Programa de Posgrado en Bioinformática y Genómica de los Institutos Huck de Ciencias de la Vida. Jonaid está realizando la investigación de su tesis doctoral en el laboratorio de Kelly. "Con chips mejorados y un potente detector directo en el microscopio, podemos acumular muchos fotogramas de película para ver cómo actúa la muestra en tiempo real. Podemos ver las cosas como existen, no solo como las preparamos ".

Los investigadores utilizaron virus adenoasociados (AAV) como sistema modelo para demostrar su enfoque. AAV es una nanopartícula biológica que se puede utilizar para ayudar a administrar vacunas o tratamientos directamente a las células. La plataforma se basa en un adenovirus secuestrado, que puede entrar fácilmente en varios tipos de células. La facilidad con la que interactúa con las células lo convierte en una cápsula útil para transportar su carga útil diseñada.

"AAV es un conocido vehículo de terapia génica con aplicaciones actuales involucradas en la entrega de medicamentos y el desarrollo de vacunas para COVID-19, ", Dijo Kelly." Este sistema modelo ya está bien estudiado, por lo que podemos usarlo para validar nuestro enfoque con el objetivo de ver los derechos biológicos en un estado líquido, como se mantiene en el cuerpo humano ".

Los investigadores aplicaron volúmenes diminutos de solución líquida que contenía AAV a los pozos de microchips especializados de nitruro de silicio. suministrado comercialmente por Protochips Inc. Luego colocaron los conjuntos de microchip en el EM para examinar los virus en acción.

"Las imágenes son muy comparables a los datos de cryo-EM, pero la preparación fue menos compleja, menos involucrado técnicamente, ", Dijo Jonaid." Una vez que tuvimos las imágenes, tomado rápidamente, como fotogramas de una película, los procesamos como lo haríamos con cualquier otro dato de alta resolución ".

Los resultados fueron videos de AAV moviéndose en líquido, con cambios sutiles en la superficie de la partícula, sugiriendo que las propiedades físicas de la partícula cambian a medida que explora su entorno, Kelly dijo. La resolución fue cercana a tres o cuatro Angstrom (un solo átomo se mide como un Angstrom).

Una vez que demostraron que las estrategias de imágenes funcionaron, los investigadores fijaron su mirada en un objetivo más pequeño:los anticuerpos producidos por pacientes con COVID-19.

"Vimos cómo los anticuerpos contenidos en el suero de pacientes con COVID-19 interactuaban con las partículas restantes de SARS-CoV-2, Kelly dijo:señalando que la capacidad de observar tales interacciones sería especialmente útil al evaluar la viabilidad de las vacunas candidatas antes de los ensayos clínicos.

Kelly y su equipo planean continuar investigando los fundamentos moleculares del SARS-CoV-2 y las proteínas receptoras del huésped utilizando EM en fase líquida, como complemento a la información obtenida de los resultados de cryo-EM.

"Realmente se necesitan datos de ambas técnicas para comprender cómo se ven y se comportan los virus en el cuerpo vivo, Kelly dijo:"Visualizar el movimiento dinámico en la solución complementa las instantáneas de alta resolución para revelar información más completa".