Det mänskliga immunbristviruset, eller HIV, för krig i våra kroppar med hjälp av en strategi som utvecklats under miljontals år som vänder våra egna cellulära maskiner mot sig själva. Trots enorma framsteg för att förstå sjukdomen, det finns fortfarande viktiga luckor. I åratal, forskare vid University of Utah önskade att det fanns ett sätt att visualisera hur viruset och dess molekyler interagerar med mänskliga celler i realtid. Så, en forskargrupp utvecklade en.

Den nya metoden använder interferometri för att fånga extremt högupplösta visualiseringar av miljontals molekyler som rör sig över viskösa geler eller ett plasmamembran. Ipsita Saha, doktorand i fysik och huvudförfattare till studien, utvecklade en korrelationsanalys som teoretiskt förklarade hur interferometrimikroskopet kunde skilja mellan två typer av rörelser – flöde och diffusion – och hon och seniorförfattaren Saveez Saffarian verifierade det experimentellt. Metoden ger oss ett steg närmare att visualisera hur molekyler interagerar i en verklig levande cell.

"Det finns redan metoder som fångar hur molekyler flyter och diffunderar i två dimensioner. Vi ville se vad som händer i hela den cellulära miljön. Hur fungerar dessa molekyler? Vilken typ av interaktioner äger rum?" sa Saha, som också är knuten till Center for Cell and Genome Science (CCGS) vid U.

"Än så länge, vi har lämnats att bara föreställa oss dessa interaktioner. Vi har mycket begränsade sätt att faktiskt gå in i cellen och observera hur alla dessa molekyler dansar tillsammans samtidigt, " sa senior författare Saffarian, docent i fysik, adjungerad biträdande professor i biologi och affiliate av CCGS. "Vi behövde verkligen skapa metoder med högre upplösning som kan titta på dynamiken hos biologiska molekyler."

Studien publicerad i tidskriften PLOS ONE den 18 december, 2019.

Flöde och diffusion

Celler fungerar som ett effektivt kontor. Proteiner och andra molekyler utför uppgifter, utveckla produkter, kommunicera med varandra och röra sig, till och med lämnar sin speciella cell för att vada ut i den vidare världen. Rörelse är avgörande för att molekyler ska hitta och interagera med varandra och sin miljö. Denna studie syftade till att skilja mellan två typer av rörelser:flöde och diffusion.

Molekyler flyter när de har en bias mot att röra sig i en viss riktning. Diffusion är när molekyler rör sig slumpmässigt. För att förstå hur celler eller virus fungerar, Det är viktigt att förstå mekaniken i hur de rör sig.

"Bär dessa molekyler olika saker från en plats till en annan, eller pågår det andra processer? "sa Saha." Denna metod kan specifikt skilja mellan flöde och diffusion i tre dimensioner. "

Forskarna använde ett interferometrisk mikroskop, som mäter avståndet som ljuset färdas över nanoskala. Molekyler sänder ut fotoner som färdas som ljusvågor, var och en med specifika amplituder och frekvenser. För experimentet, mikroskopet delade en ljusstråle i två strålar som färdades längs olika vägar, så småningom kommer tillbaka för att träffa varandra. Dessa balkar kombineras i ett prisma, och tre separata reflektioner av deras kombination avbildas på tre kameror. Störningen är sådan att om en molekyl rör sig 80 nanometer, dess bild flyttas till en annan kamera. Detta är extremt hög upplösning - en mänsklig röda blodkropp är cirka 7, 000 nanometer tvärs över. Forskarna mätte upplösningen i vokaler, som är pixlar i tre dimensioner.

Saha och Saffarian skapade en sackarosgel injicerad med kvantprickar - konstgjorda kristaller i nanoskala som leder elektroner. Kvantprickarna producerar en signal som mikroskopet kan upptäcka. Genom att först lära sig hur kvantprickar rör sig i gelén, forskarna validerade sin teknik, som sedan kan tillämpas på hur proteiner rör sig inuti en cell. De kylde gelén till rumstemperatur för att sakta ner ämnet till en hastighet som kamerorna kunde fånga.

"Du kan faktiskt se om molekyler går i en viss riktning eller om de rör sig slumpmässigt. Och du kan göra detta på mycket, mycket små voxlar över ett stort tvärsnitt av provet, som har en enorm mängd information, " sa Saffarian. Forskarna använde Center for High Performance Computing vid U:t för att bearbeta de enorma mängderna data.

Forskarna mätte hur länge dessa ljusvågor "kom ihåg" varandra genom att beräkna sannolikheten för hur länge vågorna skulle behålla sin amplitud och frekvens, kallas koherens. Ljus från samma molekyl kommer att dyka upp i kamerorna med samma koherens. De använde korrelationsfunktionen för att ta reda på hur molekylerna rörde sig och i vilken riktning. Om de delade ljusstrålarna rör sig på separata banor mindre än 10 mikron från varandra, de minns att de kom från samma molekyl. När ljusstrålarna möts igen, de kommer att kombineras med den kunskapen. Om de inte känner till varandra, de har 30 % sannolikhet att dyka upp i någon av de tre kamerorna. Om de kommer ihåg varandra, de har 100 % sannolikhet att dyka upp i en kamera, men en 0% sannolikhet att dyka upp i de andra. Denna metod mäter ljus som sänds ut från miljontals molekyler samtidigt, vilket gör denna metod idealisk för att studera flöde och diffusion över celler och vävnader.

Att förbättra tekniken

Även om denna metod detekterar rörelse över viskösa geler eller plasmamembran, det är oförmöget att skapa en karta över partiklar som rör sig över en faktisk cell. Dock, Saha och Saffarian samarbetar nu med forskare vid ThermoFisher Scientific (FEI) i Tyskland för att bygga en prototyp av ett mikroskop med mycket snabbare detektorer som kommer att kunna fånga rörelse i levande celler. De ingår i en patentansökan för tekniken och ska analysera data från experimenten.

"Vi kan redan använda den här metoden för långsamma processer, men i vårt labb, vi är biologer på någon nivå. Vi vill verkligen förstå hur biologi fungerar, och incitamentet bakom all denna metodutveckling är att förstå, vad är den galna dansen av molekyler i celler och vävnader som gör att riktigt exotisk biologi kan gå framåt? Att ta sig dit, vi behöver mycket snabbare detektorer, sa Saffarian.