Saldēta vīrusa smalkā struktūra

Uzlabojot jauno attēlveidošanas tehniku ​​un izmantojot jaudīgu datortīklu, pētnieki ir uztvēruši vīrusa trīsdimensiju struktūru nepieredzēti detalizēti. Attēliem, kuros iemūžināts vīruss gandrīz dabiskajā stāvoklī, ir pietiekami laba izšķirtspēja, lai varētu izsekot atsevišķu proteīnu mugurkaulam — tas nekad agrāk nav izdevies veselam, neskartam organismam.

Vīrusa ģeogrāfija: Izmantojot paņēmienu, ko sauc par vienas daļiņas elektronu kriomikroskopiju, epsilon 15 vīrusa proteīna apvalks, ko sauc par kapsīdu, tika attēlots nepieredzēti detalizēti.

Tā ir liela attīstība, saka Pols Matsudaira , BioAttēlveidošanas centra direktors Vaithedas Biomedicīnas pētījumu institūts , kurš nebija iesaistīts darbā.

Šis konkrētais sasniegums būtībā ir piemērs tam, kā šī tehnika ir progresējusi līdz līmenim, kas ir tuvu atomu izšķirtspējai, un kas ļauj mums attēlot īstu dzīvu infekcijas vīrusu gandrīz vietējā vidē, saka. Veņs Dzjans , bioloģijas zinātņu docents plkst Purdjū universitāte , kurš vadīja pētījumu. Rezultāti parādījās žurnāla 28. februāra numurā Daba .

Metode, ko sauc par vienas daļiņas elektronu kriomikroskopiju, ietver veselu vīrusu sasaldēšanu ūdeņainā šķīdumā, kas saglabā to dabisko struktūru. Sasalšanas process ir tik ātrs, ka iegūtais ledus ir amorfs, nevis kristālisks, kas nozīmē, ka tajā nav ledus kristālu, kas varētu sabojāt vīrusu daļiņas. Pēc tam sasaldēto paraugu bombardē ar elektronu staru no elektronu mikroskopa.

Multivide

• Skatiet citus vīrusa attēlus.

• Noskatieties vīrusa modeļa filmu.

Iegūtie attēli ļāva pētniekiem atšķirt struktūras, kas atrodas tik tuvu viena otrai, kā 4,5 angstremi. Nedaudz mazāk par pusnanometru šis attālums ir pietiekami mazs, lai atklātu gandrīz atomu līmeņa detaļas. Iepriekšējie tā paša vīrusa attēli, ko arī ģenerēja Dzjanga grupa, sniedza aptuveni 9,5 angstremu izšķirtspēju — pietiekami labi, lai izgaismotu atsevišķas proteīnu liela mēroga iezīmes, taču ne pietiekami labi, lai izsekotu šo proteīnu mugurkaulu.

Citos attēlveidošanas veidos attēlojamās struktūras — neatkarīgi no tā, vai tie ir veseli vīrusi vai sarežģīti proteīnu komplekti – ir jāsakārto tā, lai visas atsevišķās daļiņas būtu orientētas tieši vienā virzienā. Šim procesam ir nepieciešamas uzlabotas kristalizācijas metodes, kurām daudzas struktūras, tostarp šajā pētījumā izmantotais vīruss, nav piemērotas.

Vīruss, ko sauc par epsilon 15, pieder vīrusu saimei, kas inficē baktērijas un kuriem ir divpavedienu DNS genomi un astes. Dzjans saka, ka, ja aste izceļas, kristalizācija ir diezgan sarežģīta.

Vienas daļiņas elektronu krimikroskopija pilnībā novērš kristalizācijas posmu. Daudzās attēlojamās daļiņas tiek sakārtotas un attēlotas nejaušās orientācijās, un pēc tam no desmitiem tūkstošu šo attēlu tiek salikts viens salikts trīsdimensiju modelis. Patiesībā, jo vairāk orientāciju tiek fiksēts, jo labāks būs modelis.

Tas dod jums iespēju atrisināt struktūras, kuras nevar kristalizēt, saka Matsudaira.

Vienas daļiņas pieeja arī uzlabo attēla kvalitāti, aizsargājot relatīvi trauslos vīrusus no būtiskas degradācijas, ko izraisa mikroskopa elektronu stars. Tā kā galīgais modelis ir izveidots no liela skaita vīrusu daļiņu attēliem, neviena daļiņa nedrīkst tikt bombardēta pietiekami ilgi, lai uzkrātu lielus bojājumus.

Daudzu attēlu salikšana kompozītmateriālā prasa milzīgu skaitļošanas jaudu. Dzjans un viņa grupa izmantoja Purdue's Condor pool — resursu, kas izmanto dīkstāves CPU ciklus no datoriem visā universitātes pilsētiņā. Kopumā projekts aizņēma aptuveni vienu miljonu CPU stundu, kas sadalītas aptuveni 100 dienās.

Tieši šī skaitļošanas jauda, ​​kā arī attēlu apstrādes programmatūras uzlabojumi ļāva pētniekiem ģenerēt tik augstas izšķirtspējas modeli. Tā kā viņiem bija resursi, lai apstrādātu milzīgu datu ievadi, viņi varēja apvienot daudz vairāk attēlu, lai izveidotu kompozītu.

Agrākie elektronu kriomikroskopijas lietojumi, lai modelētu vīrusu struktūras, ir balstīti uz īsinājumtaustiņiem, piemēram, pieņemot, ka vīrusa struktūra būs ļoti simetriska. Pateicoties Condor baseinam, Dzjana grupa varēja izvairīties no šādiem vienkāršojumiem, nosakot, kā vīrusa virsmas proteīni sader kopā.

Viņi veica tīru eksperimentu, kura mērķis bija atrisināt struktūru, nepieņemot simetriju, saka Matsudaira. Viņš saka, ka tas ir projekta nozīmīgākais jauninājums – pat vairāk nekā 4,5 angstremu izšķirtspēja.

No aptuveni 36 000 vienas daļiņas attēliem pētnieki izveidoja epsilon 15 proteīna apvalka modeli, kas pazīstams kā kapsīds. Iepriekšējais darbs liecināja, ka kapsīds ietvēra tikai vienu galveno proteīnu. Bet papildus šī proteīna mugurkaula izsekošanai jaunais modelis atklāja noslēpumainu otro proteīnu - daudz mazāku par pirmo -, ko neviens iepriekšējais strukturālais vai bioķīmiskais pētījums nebija paredzējis.

Kad grupa atkārtoti analizēja vīrusa sastāvā esošās olbaltumvielas, izmantojot jutīgāku bioķīmiskās skrīninga metodi, viņi patiešām atrada pierādījumus par mazāku proteīnu.

Dzjans saka, ka šis rezultāts apvērš parasto strukturālo analīzi. Parasti daļiņas bioķīmiskais sastāvs tiek izmantots, lai palīdzētu noteikt tās struktūru. Šeit vīrusa struktūra, kā atklāja šī spēcīgā jaunā analīze, palīdzēja atklāt iepriekš neievērotu bioķīmisko iezīmi.

Parasti struktūra balstās uz bioķīmiju, saka Matsudaira, bet tas bija tieši pretējs.

Nākotnē Dzjans cer vēl vairāk uzlabot to attēlu izšķirtspēju, kas iegūti ar vienas daļiņas elektronu krimikroskopiju. Turpinot pilnveidot programmatūru un, iespējams, izsaucot vēl lielāku skaitļošanas jaudu, viņš paredz, ka tuvāko gadu laikā var būt iespējams sasniegt trīs angstremu izšķirtspēju. Šis detalizācijas līmenis atklātu atomu līmeņa iezīmes.

Papildus Epsilon 15 šo paņēmienu varētu izmantot, lai izveidotu citu, klīniski nozīmīgāku vīrusu strukturālus modeļus. Dzjana laboratorija pašlaik izmanto jauno pieeju Rietumnīlas vīrusam un tropu drudža vīrusam. Izstrādātas olbaltumvielu struktūras, kas nav vīrusu kapsīdi, arī būtu ideāli mērķi.

Tas ir tikai šīs tehnikas virsmas skrāpēšana, saka Dzjans. Tehnikas potenciāls ir daudz vairāk nekā tas, ko esam sasnieguši līdz šim.

paslēpties