Puiki užšaldyto viruso struktūra

Tobulindami besiformuojančią vaizdo gavimo techniką ir panaudodami galingą kompiuterių tinklą, mokslininkai precedento neturinčia detale apžvelgė trimatę viruso struktūrą. Vaizdai, kuriuose užfiksuotas beveik gimtosios būklės virusas, yra pakankamai puikios skiriamosios gebos, kad būtų galima atsekti atskirų baltymų stuburą – tai dar niekada nebuvo padaryta visam, nepažeistam organizmui.

Viruso geografija: Naudojant techniką, vadinamą vienos dalelės elektronų kriomikroskopija, epsilon 15 viruso baltymo apvalkalas, vadinamas kapsidu, buvo vaizduojamas precedento neturinčiu detalumu.

Tai didelis pokytis, sako Paulius Matsudaira , BioImaging centro direktorius Whitehead biomedicininių tyrimų institutas , kuris darbe nedalyvavo.

Šis konkretus pasiekimas iš esmės parodo, kaip ši technika pažengė į beveik atominę skiriamąją gebą ir leidžia mums pavaizduoti tikrą gyvą infekcinį virusą beveik gimtojoje aplinkoje, sakoma pranešime. Wen Jiang , biologijos mokslų docentas Purdue universitetas , kuris vadovavo tyrimui. Rezultatai buvo paskelbti žurnalo vasario 28 d Gamta .

Metodas, vadinamas vienos dalelės elektronų kriomikroskopija, apima staigų sveikų virusų užšaldymą vandeniniame tirpale, o tai išsaugo natūralią jų struktūrą. Užšalimo procesas yra toks greitas, kad susidaręs ledas yra amorfinis, o ne kristalinis, o tai reiškia, kad nėra ledo kristalų, galinčių pažeisti viruso daleles. Tada sušaldytas mėginys bombarduojamas elektronų pluoštu iš elektroninio mikroskopo.

Multimedija

• Žiūrėkite kitas viruso nuotraukas.

• Žiūrėti filmą apie viruso modelį.

Gauti vaizdai tyrėjams leido atskirti struktūras, esančias net 4,5 angstremo atstumu. Šiek tiek mažiau nei pusė nanometro šis atstumas yra pakankamai mažas, kad atskleistų beveik atominio lygio detales. Ankstesni to paties viruso vaizdai, kuriuos taip pat sukūrė Jiang grupė, davė apie 9,5 angstremo skiriamąją gebą – pakankamai tiksli, kad apšviestų kai kurias didelio masto atskirų baltymų ypatybes, bet nepakankamai tiksli, kad būtų galima atsekti tų baltymų stuburą.

Atliekant kitų tipų vaizdavimą, vaizduojamos struktūros – nesvarbu, ar tai ištisi virusai, ar sudėtingi baltymų rinkiniai – turi būti išdėstytos taip, kad visos atskiros dalelės būtų orientuotos tiksliai ta pačia kryptimi. Šiam procesui reikalingi pažangūs kristalizacijos metodai, kuriems daugelis struktūrų, įskaitant šiame tyrime naudojamą virusą, nėra pritaikytos.

Virusas, vadinamas epsilon 15, priklauso virusų, užkrečiančių bakterijas ir turinčių dvigrandžių DNR genomus bei uodegas, šeimai. Kai uodega kyšo, kristalizacija tampa gana sunki, sako Jiang.

Vienos dalelės elektronų kriomikroskopija visiškai pašalina kristalizacijos etapą. Daugybė dalelių, kurias reikia vaizduoti, yra išdėstytos ir vaizduojamos atsitiktine tvarka, o tada iš dešimčių tūkstančių tų vaizdų surenkamas vienas sudėtinis trimatis modelis. Tiesą sakant, kuo daugiau orientacijų bus užfiksuota, tuo modelis bus geresnis.

Tai suteikia jums galimybę išspręsti struktūras, kurių negalima kristalizuoti, sako Matsudaira.

Vienos dalelės metodas taip pat pagerina vaizdo kokybę, nes apsaugo palyginti silpnus virusus nuo didelio mikroskopo elektronų pluošto degradacijos. Kadangi galutinis modelis yra sudarytas iš daugybės virusinių dalelių vaizdų, nė viena dalelė neturi būti bombarduojama pakankamai ilgai, kad būtų sukaupta didelė žala.

Daugelio vaizdų surinkimas į kompoziciją reikalauja didžiulės skaičiavimo galios. Jiangas ir jo grupė panaudojo Purdue's Condor baseiną – šaltinį, kuris naudoja neveikiančius CPU ciklus iš kompiuterių visame miesteliu. Iš viso projektas užtruko apie milijoną CPU valandų, išskirstytų per maždaug 100 dienų.

Būtent ši skaičiavimo galia ir vaizdo apdorojimo programinės įrangos patobulinimai leido tyrėjams sukurti tokią didelės raiškos modelį. Kadangi jie turėjo išteklių tvarkyti didžiulį duomenų įvedimą, jie galėjo sujungti daug daugiau vaizdų, kad sukurtų kompoziciją.

Ankstesni elektroninės kriomikroskopijos naudojimo būdai virusų struktūroms modeliuoti buvo pagrįsti nuorodomis, pavyzdžiui, darant prielaidą, kad viruso struktūra bus labai simetriška. „Condor“ fondo dėka Jiango grupei pavyko išvengti tokių supaprastinimų nustatant, kaip viruso paviršiaus baltymai dera tarpusavyje.

Jie atliko gryną eksperimentą, kurio tikslas buvo išspręsti struktūrą neprisiimant simetrijos, sako Matsudaira. Tai, pasak jo, yra svarbiausia projekto naujovė – net labiau nei 4,5 angstremo skiriamoji geba.

Iš maždaug 36 000 vienos dalelės vaizdų tyrėjai sukūrė epsilon 15 baltymo apvalkalo modelį, žinomą kaip kapsidas. Ankstesnis darbas parodė, kad kapsidas turi tik vieną pagrindinį baltymą. Tačiau naujasis modelis ne tik atskleidė šio baltymo stuburą, bet ir atskleidė paslaptingą antrąjį baltymą – daug mažesnį nei pirmasis – kurio nebuvo numatęs joks ankstesnis struktūrinis ar biocheminis tyrimas.

Kai grupė iš naujo išanalizavo virusą sudarančius baltymus, naudodama jautresnį biocheminį atrankos metodą, jie iš tikrųjų rado mažesnio baltymo įrodymų.

Jiang sako, kad šis rezultatas apverčia įprastinę struktūrinę analizę. Paprastai dalelės biocheminė sudėtis padeda nustatyti jos struktūrą. Čia viruso struktūra, kurią atskleidė ši galinga nauja analizė, padėjo atskleisti anksčiau nepastebėtą biocheminę savybę.

Paprastai struktūra priklauso nuo biochemijos, sako Matsudaira, tačiau tai buvo visiškai priešinga.

Ateityje Jiang tikisi dar labiau pagerinti vaizdų, gautų naudojant vienos dalelės elektronų kriomikroskopiją, skiriamąją gebą. Toliau tobulinant programinę įrangą ir galbūt pasitelkus dar didesnę skaičiavimo galią, jis tikisi, kad per ateinančius kelerius metus gali būti įmanoma pasiekti trijų angstremų skiriamąją gebą. Toks detalumo lygis atskleistų atominio lygio ypatybes.

Be Epsilon 15, šis metodas gali būti naudojamas kuriant kitų, kliniškai reikšmingesnių virusų struktūrinius modelius. Jiang laboratorija šiuo metu taiko naują požiūrį į Vakarų Nilo virusą ir dengės karštligės virusą. Sudėtingos baltymų struktūros, išskyrus viruso kapsidus, taip pat būtų idealūs taikiniai.

Tai tik subraižo šios technikos paviršių, sako Jiang. Technikos potencialas yra daug didesnis nei iki šiol.

paslėpti