Ett virus fäster till en cell, plockar i låset och går in, tar sedan kontroll över den genetiska produktionen och pumpar ut många versioner av sig själv som exploderar ut genom cellväggen.

Hämta dina popcorn. Ingenjörer och virologer har ett nytt sätt att se virusinfektioner minska.

Tekniken använder mikrofluidik - submillimeterkontroll av vätskor inom en exakt, geometrisk struktur. På vad som i grund och botten är ett lurat objektglas, kemiingenjörer från Michigan Technological University har kunnat manipulera virus i en mikrofluidisk enhet med hjälp av elektriska fält. Studien, publicerades i sommar i Langmuir , tittar på förändringar i cellmembranet och ger forskarna en tydligare bild av hur antivirala medel fungerar i en cell för att stoppa infektionsspridningen.

Viral infektion börjar med Capsid

Virus bär runt ett yttre skal av proteiner som kallas en kapsid. Proteinerna fungerar som en lockpick, fästa vid och bända upp en cells membran. Viruset kapar sedan cellens inre funktion, tvingar det att massproducera virusets genetiska material och konstruera många, många virala kopior. Ungefär som popcornkärnor som trycker bort locket på en överfylld gryta, de nya virusen exploderar genom cellväggen. Och cykeln fortsätter med fler viruslås på fri fot.

"När du tittar på traditionella tekniker - fluorescerande märkning för olika stadier, bildbehandling, kontrollera livsduglighet – poängen är att veta när membranet är skadat, sa Adrienne Minerick, studie medförfattare, dekanus vid College of Computing och professor i kemiteknik. "Problemet är att dessa tekniker är ett indirekt mått. Våra verktyg tittar på avgiftsfördelning, så det är starkt fokuserat på vad som händer mellan cellmembranet och virusytan. Vi upptäckte med större upplösning när viruset faktiskt går in i cellen."

Dielektrofores:Laddad konversation

Att titta på virusinfektionscykeln och övervaka dess stadier är avgörande för att utveckla nya antivirala läkemedel och få bättre förståelse för hur ett virus sprids. Dielektrofores inträffar när polariserbara celler trycks runt i ett ojämnt elektriskt fält. Rörelsen av dessa celler är praktisk för att diagnostisera sjukdomar, blodtypning, studera cancer och många andra biomedicinska tillämpningar. När den används för att studera virusinfektion, det är viktigt att notera att virus har en ytladdning, så inom det begränsade utrymmet i en mikrofluidisk enhet, dielektrofores avslöjar det elektriska samtalet mellan viruskapsiden och proteinerna i ett cellmembran.

"Vi studerade interaktionen mellan viruset och cellen i relation till tid med hjälp av mikrofluidiska enheter, sa Sanaz Habibi, som ledde studien som doktorand i kemiteknik vid Michigan Tech. "Vi visade att vi kunde se tidsberoende virus-cell-interaktioner i det elektriska fältet."

Att se en virusinfektion hända i realtid är som en korsning mellan en zombieskräckfilm, färgtorkning och ett Bollywood-epos på repeat. Cellerna i den mikrofluidiska enheten dansar runt, skiftar till distinkta mönster med en dielektrisk musiksignal. Det måste finnas rätt förhållande mellan virus och celler för att se infektion hända – och det händer inte snabbt. Habibis experiment går i 10-timmarsskift, efter de inledande scenerna av viral anknytning, ett långt mellanspel av intrång, och så småningom den tragiska finalen när de nya virusen bryter ut, förstör cellen i processen.

Innan de spricker, cellmembran bildar strukturer som kallas blåsor, som ändrar den elektriska signalen som mäts i mikrofluidanordningen. Det betyder att dielektroforesmätningarna ger högupplöst förståelse för de elektriska skiftningar som sker vid cellens yta genom hela cykeln.

Ange Osmolyte

Virusinfektioner är i fokus just nu, men alla virus är inte lika. Medan mikrofluidiska enheter som använder dielektrofores en dag skulle kunna användas för på plats, snabba tester för virussjukdomar som COVID-19, Michigan Tech-teamet fokuserade på ett välkänt och noggrant studerat virus, porcint parvovirus (PPV), som infekterar njurceller hos grisar.

Men sedan ville teamet driva på höljet:de tillsatte osmolyten glycin, en viktig intervention som deras medarbetare studerar i viral ytkemi och vaccinutveckling.

"Med vårt system, vi kunde visa tidsberoende beteende hos viruset och cellmembranet. Sedan tillsatte vi osmolyten, som kan fungera som en antiviral förening, " Habibi förklarade. "Vi trodde att det skulle stoppa interaktionen. Istället, det såg ut som att interaktionen fortsatte att hända först, men sedan kunde de nya virusen inte ta sig ut ur cellen."

Det beror på att glycin sannolikt avbryter den nya kapsidbildningen för de replikerade virusen i själva cellen. Medan den specifika delen av den virala dansen sker bakom cellväggens ridå, de dielektriska mätningarna visar ett skifte mellan en infekterad cykel där kapsidbildning sker och en infekterad cell där kapsidbildningen avbryts av glycin. Denna skillnad i elektrisk laddning indikerar att glycin förhindrar de nya virusen från att bilda kapsider och hindrar de potentiella virala lockpickers från att träffa sina mål.

"När du arbetar med så små partiklar och organismer, när du kan se denna process ske i realtid, det är givande att spåra dessa förändringar, sa Habibi.

Denna nya syn på interaktioner mellan viruskapsider och cellmembran kan påskynda testning och karakterisering av virus, minskar dyr och tidskrävande bildteknik. Kanske i en framtida pandemi, det kommer att finnas omhändertagande, handhållna enheter för att diagnostisera virusinfektioner och vi kan hoppas att medicinska laboratorier kommer att utrustas med andra mikrofluidiska enheter som snabbt kan screena och avslöja de mest effektiva antivirala medicinerna.