Den fine struktur af en frossen virus

Ved at raffinere en ny billedbehandlingsteknik og udnytte et kraftfuldt computernetværk har forskere skimt den tredimensionelle struktur af en virus i hidtil usete detaljer. Billederne, som fanger virussen i en næsten-native tilstand, har fin nok opløsning til, at rygraden af ​​individuelle proteiner kan spores - en bedrift, der aldrig før er opnået for en hel, intakt organisme.

Geografi af en virus: Ved hjælp af en teknik kaldet enkeltpartikelelektronkryomikroskopi blev proteinskallen - kaldet en capsid - af epsilon 15-virussen afbildet i hidtil uset detaljer.

Det er en stor udvikling, siger Paul Matsudaira , direktør for BioImaging Center på Whitehead Institut for Biomedicinsk Forskning , som ikke var involveret i arbejdet.

Denne særlige præstation er dybest set et udstillingsvindue for, hvordan denne teknik har udviklet sig til et niveau, der er tæt på atomopløsning, og som giver os mulighed for at afbilde en ægte levende smitsom virus i et næsten hjemmehørende miljø, siger Wen Jiang , adjunkt i biologiske videnskaber ved Purdue Universitet , der ledede undersøgelsen. Resultaterne blev vist i 28. februar-udgaven af ​​tidsskriftet Natur .

Teknikken, kaldet enkelt-partikel elektron kryomikroskopi, involverer flash-frysning af hele vira i en vandig opløsning, en metode, der bevarer deres naturlige struktur. Fryseprocessen er så hurtig, at den resulterende is er amorf snarere end krystallinsk, hvilket betyder, at der ikke er nogen iskrystaller til at beskadige viruspartiklerne. Den frosne prøve bliver derefter bombarderet med en stråle af elektroner fra et elektronmikroskop.

Multimedier

• Se andre billeder af virussen.

• Se en film af virusmodellen.

De resulterende billeder gjorde det muligt for forskerne at skelne mellem strukturer så tæt på hinanden som 4,5 ångstrøm. På lige under en halv nanometer er den afstand lille nok til at afsløre detaljer på næsten atomniveau. Tidligere billeder af den samme virus, også genereret af Jiangs gruppe, gav en opløsning på omkring 9,5 ångstrøm – fint nok til at belyse nogle store træk ved individuelle proteiner, men ikke fint nok til at spore disse proteiners rygrad.

Ved andre former for billeddannelse skal de strukturer, der skal afbildes - uanset om det er hele vira eller komplicerede proteinsamlinger - arrangeres, så alle de individuelle partikler er orienteret i nøjagtig samme retning. Den proces kræver avancerede krystalliseringsteknikker, som mange strukturer, inklusive virussen brugt i denne undersøgelse, ikke er modtagelige for.

Virusset, kaldet epsilon 15, tilhører en familie af vira, der inficerer bakterier og har dobbeltstrengede DNA-genomer og -haler. Når du har en hale, der stikker ud, gør det krystallisering ret hårdt, siger Jiang.

Enkelt-partikel elektron kryomikroskopi eliminerer krystallisationstrinnet helt. De mange partikler, der skal afbildes, arrayeres og afbildes i tilfældige orienteringer, og derefter samles en enkelt sammensat tredimensionel model af titusindvis af disse billeder. Faktisk, jo flere orienteringer der fanges, jo bedre bliver modellen.

Det giver mulighed for at løse strukturer, der ikke kan krystalliseres, siger Matsudaira.

Enkeltpartikeltilgangen forbedrer også billedkvaliteten ved at beskytte de relativt skrøbelige vira mod betydelig nedbrydning af mikroskopets elektronstråle. Da den endelige model er konstrueret ud fra billeder af et stort antal virale partikler, må ingen enkelt partikel bombarderes længe nok til at akkumulere større skader.

At samle de mange billeder til en komposit kræver en enorm mængde computerkraft. Jiang og hans gruppe udnyttede Purdues Condor-pool, en ressource, der bruger inaktive CPU-cyklusser fra computere på tværs af campus. I alt tog projektet omkring en million CPU-timer fordelt på omkring 100 dage.

Det er denne computerkraft, sammen med justeringer af billedbehandlingssoftwaren, der gjorde det muligt for forskerne at generere sådan en højopløsningsmodel. Fordi de havde ressourcerne til at håndtere et massivt input af data, kunne de kombinere mange flere billeder for at skabe det sammensatte.

Tidligere anvendelser af elektronkryomikroskopi til at modellere viras strukturer har været afhængige af genveje, såsom at antage, at virussens struktur vil være meget symmetrisk. Takket være Condor-puljen var Jiangs gruppe i stand til at undgå sådanne forenklinger ved at bestemme, hvordan virusets overfladeproteiner passer sammen.

De lavede det rene eksperiment, som var at løse strukturen uden at antage symmetri, siger Matsudaira. Det, siger han, er projektets mest betydningsfulde innovation - endnu mere end opløsningen på 4,5 ångstrøm.

Ud fra cirka 36.000 enkeltpartikelbilleder sammensatte forskerne en model af epsilon 15s proteinskal, kendt som en capsid. Tidligere arbejde antydede, at capsidet kun inkorporerede et større protein. Men ud over at spore dette proteins rygrad, afslørede den nye model et mystisk andet protein - meget mindre end det første - som ingen tidligere strukturelle eller biokemiske undersøgelser havde forudsagt.

Da gruppen genanalyserede virusets indholdsproteiner ved hjælp af en mere følsom biokemisk screeningsmetode, fandt de faktisk bevis for det mindre protein.

Jiang siger, at dette resultat vender konventionel strukturanalyse på hovedet. Normalt kaldes en partikels biokemiske sammensætning til at hjælpe med at udlede dens struktur. Her hjalp virussens struktur, som afsløret af denne kraftfulde nye analyse, med at afdække et tidligere overset biokemisk træk.

Normalt er strukturen afhængig af biokemien, siger Matsudaira, men det var præcis det modsatte.

I fremtiden håber Jiang at forbedre opløsningen af ​​billeder produceret ved enkelt-partikel elektron kryomikroskopi yderligere. Ved at forfine softwaren yderligere og måske påberåbe sig endnu mere computerkraft, forudser han, at det kan være muligt at nå en opløsning på tre ångstrøm inden for de næste par år. Det detaljeringsniveau ville afsløre funktioner på atomniveau.

Ud over epsilon 15 kunne teknikken bruges til at skabe strukturelle modeller af andre, mere klinisk relevante vira. Jiangs laboratorium anvender i øjeblikket den nye tilgang til West Nile-virus og dengue-virus. Udarbejdede proteinstrukturer andre end virale capsider ville også være ideelle mål.

Det her ridser bare overfladen af ​​denne teknik, siger Jiang. Teknikkens potentiale er så meget mere end det, vi har opnået hidtil.

skjule