Strukturen av ett adenovirus. Genom att ta ett genomsnitt av tusentals bullriga kryoelektronmikroskopbilder (vänster längst ner), forskare har bestämt atomstrukturen hos det mänskliga adenoviruset (färg). Denna struktur avslöjar komplexa interaktioner mellan proteinnätverk (mitten). Sådana interaktioner kan riktas mot att optimera ett adenovirus för anti-cancer- och genterapiapplikationer.
(PhysOrg.com) -- En av de svåraste aspekterna av att arbeta på nanoskala är faktiskt att se objektet som man arbetar med. Biologiska strukturer som virus, som är mindre än ljusets våglängd, är osynliga för vanliga optiska mikroskop och svåra att fånga i sin ursprungliga form med andra avbildningstekniker.
En multidisciplinär forskargrupp vid UCLA har nu slagit sig samman för att inte bara visualisera ett virus utan för att använda resultaten för att anpassa viruset så att det kan leverera medicin istället för sjukdom.
I en tidning som publicerades förra veckan i tidskriften Vetenskap , Hongrong Liu, en UCLA-postdoktor i mikrobiologi, immunologi och molekylär genetik, och kollegor avslöjar en atomärt korrekt struktur av adenoviruset som visar interaktionerna mellan dess proteinnätverk. Arbetet tillhandahåller viktig strukturell information för forskare runt om i världen som försöker modifiera adenoviruset för användning i vaccin- och genterapibehandlingar för cancer.
För att modifiera ett virus för genterapi, forskare tar bort dess sjukdomsframkallande DNA, ersätt det med mediciner och använd virusskalet, som har optimerats av miljontals år av evolution, som leveransbil.
Lily Wu, en UCLA-professor i molekylär och medicinsk farmakologi och medförfattare till studien, och hennes grupp har försökt att manipulera adenoviruset för användning i genterapi, men bristen på information om receptorer på virusets yta hade hämmat deras sökande.
"Vi konstruerar virus för att leverera genterapi för prostatacancer och bröstcancer, men tidigare mikroskopitekniker kunde inte visualisera de anpassade virusen, " sa Wu. "Det här var som att försöka sätta ihop komponenterna i en bil i mörkret, där det enda sättet att se om du gjorde det rätt var att försöka sätta på bilen."
För att bättre visualisera viruset, Wu sökte hjälp från Hong Zhou, en UCLA professor i mikrobiologi, immunologi och molekylär genetik och studiens andra huvudförfattare. Zhou använder kryo-elektronmikroskopi (cryoEM) för att producera atomärt exakta tredimensionella modeller av biologiska prover som virus.
Wu, som också är forskare vid California NanoSystems Institute (CNSI) vid UCLA, fick reda på Zhous arbete efter att han gemensamt rekryterades till UCLA från University of Texas Medical School i Houston av UCLA Department of Microbiology, Immunologi och molekylär genetik och UCLA:s CNSI.
För ungefär ett år sedan, när överföringen av Zhous labb var klar, Sok Boon Koh, en av Wus elever, sökte upp Zhous grupp för deras expertis och inledde samarbetet.
"Detta projekt exemplifierar min entusiasm över att vara en del av ett så innovativt institut som CNSI, " sa Zhou. "Jag kan inte bara arbeta med toppmodern utrustning, men eftersom CNSI är navet för nanoteknologisk forskning och kommersialisering vid UCLA, Jag har möjlighet att samarbeta med kollegor inom många discipliner."
Arbetar i Electron Imaging Center för nanomaskiner vid CNSI, ett labb som drivs av Zhou, forskarna använde cryoEM för att skapa en 3D-rekonstruktion av det mänskliga adenoviruset från 31, 815 enskilda partikelbilder.
"Eftersom rekonstruktionen avslöjar detaljer upp till en upplösning på 3,6 ångström, vi kan bygga en atommodell av hela viruset, visar exakt hur de virala proteinerna passar ihop och interagerar, " sa Zhou. En ångström är avståndet mellan de två väteatomerna i en vattenmolekyl, och hela adenoviruset är cirka 920 ångström i diameter.
Beväpnad med denna nya förståelse, Wu och hennes grupp går nu vidare med sina konstruerade versioner av adenovirus att använda för genterapibehandling av cancer.
"Det här genombrottet är ett stort steg framåt, men det finns fortfarande många hinder att övervinna, " sa Wu. "Om vårt arbete är framgångsrikt, denna terapi kan användas för att behandla de flesta former av cancer, men våra initiala ansträngningar har fokuserat på prostatacancer och bröstcancer eftersom det är de två vanligaste formerna av cancer hos män och kvinnor, respektive."
Gruppen arbetar med adenoviruset eftersom tidigare forskning har etablerat det som en bra kandidat för genterapi på grund av dess effektivitet när det gäller att leverera genetiskt material inuti kroppen. Virusskalet är också ett säkert leveransmedel; tester har visat att skalet inte orsakar cancer, ett problem med vissa andra virusskal. Adenoviruset är relativt icke-patogent naturligt, orsakar endast tillfällig luftvägssjukdom hos 5 till 10 procent av människorna.
CryoEM möjliggör en sådan högupplöst rekonstruktion av biologiska strukturer eftersom prover, i vatten, avbildas direkt. I kontrast, med röntgenkristallografi (den konventionella tekniken för atomupplösningsmodeller av biologiska strukturer), forskare odlar kristallstrukturer som replikerar provet och använder sedan diffraktion för att lösa kristallstrukturen. Denna teknik är begränsad eftersom det är svårt att odla kristaller för alla proteiner, prover för röntgenkristallografi måste vara mycket rena och enhetliga, och kristaller av stora komplex kanske inte diffrakterar till hög upplösning. Dessa begränsningar resulterade i att kritiska områden av adenovirusytan var olösta med hjälp av röntgenkristallografi.
