En damm på sommaren kan avslöja mer om en fisk än en damm på vintern. Fisken som lever under isiga förhållanden kan förbli tillräckligt stilla för att studera dess fjäll, men för att förstå hur fisken simmar och beter sig, den behöver röra sig fritt i tre dimensioner. Detsamma gäller för att analysera hur biologiska föremål, som virus, rör sig i människokroppen, enligt en forskargrupp ledd av Deb Kelly, Huck ordförande i molekylär biofysik och professor i biomedicinsk teknik vid Penn State, som har använt avancerad elektronmikroskopi (EM)-teknik för att se hur mänskliga virus rör sig i hög upplösning i en nästan inhemsk miljö. Visualiseringstekniken kan leda till förbättrad förståelse för hur vaccinkandidater och behandlingar beter sig och fungerar när de interagerar med målceller, sa Kelly.

I ett försök att utöka de verktyg som forskarna har för att studera den mikroskopiska världen, forskare spelade in live, 20 sekunder långa filmer av mänskliga virus som flyter i vätska med nära atomära detaljer i ett elektronmikroskop. Samma grad av information, omedelbart tillgängliga när de spelar in, kan ta upp till 24 timmar att förvärva med traditionella statiska avbildningsmetoder. Deras tillvägagångssätt och resultat gjordes tillgängliga online den 24 juli Avancerade material .

"Utmaningen kvarstod att se biologiska material i dynamiska system som återspeglar deras autentiska prestanda i kroppen, sa Kelly, som också leder Penn State Center for Structural Oncology. "Våra resultat visar nya strukturer och aktiva insikter om mänskliga virus som finns i små volymer vätska - samma storlek som andningsdroppar som sprider SARS-CoV-2."

Kryogen elektronmikroskopi (cryo-EM) håller på att bli fältets guldstandard för att observera prover vid eller bortom atomär upplösning, enligt Kelly. Tekniken går ut på att blixtfryser provet och fokuserar en elektronstråle genom det. Elektronerna och provets komponenter samverkar, som fångas upp av detektorer som är inbäddade i instrumentet. Tusentals bilder kan bearbetas för att beräkna hur objektet ser ut i 3D – men det krävs mer för att helt förstå hur objektet fungerar i en mer naturlig miljö.

"Medan cryo-EM kan berätta mycket information för oss, den producerar fortfarande en statisk bild, " sa GM Jonaid, tidningens första författare och en student i Bioinformatics and Genomics Graduate Program vid Huck Institutes of the Life Sciences. Jonaid bedriver sin doktorsavhandling i Kellys labb. "Med förbättrade chips och en kraftfull direktdetektor på mikroskopet, vi kan samla många filmrutor för att se hur provet fungerar i realtid. Vi kan se saker hur de existerar - inte bara hur vi förberedde dem."

Forskarna använde adenoassocierat virus (AAV) som ett modellsystem för att demonstrera deras tillvägagångssätt. AAV är en biologisk nanopartikel som kan användas för att hjälpa till att leverera vacciner eller behandlingar direkt till celler. Plattformen är baserad på ett kapat adenovirus, som lätt kan komma in i flera sorters celler. Den lätthet med vilken den interagerar med celler gör den till en användbar kapsel för att transportera dess konstruerade nyttolast.

"AAV är en välkänd, genterapivehikel med aktuella tillämpningar involverade i läkemedelsleverans och vaccinutveckling för COVID-19, ", sa Kelly. "Det här modellsystemet är redan väl studerat så vi kan använda det för att validera vårt tillvägagångssätt med målet att se biologiska rättigheter i flytande tillstånd, som upprätthålls i människokroppen."

Forskarna applicerade små volymer av flytande lösning innehållande AAV till brunnarna i specialiserade kiselnitridmikrochips, kommersiellt tillhandahållna av Protochips Inc. De placerade sedan mikrochipsenheterna i EM för att undersöka virusen i aktion.

"Bilderna är mycket jämförbara med cryo-EM-data, men förberedelserna var mindre komplicerade, mindre tekniskt involverad, " Sa Jonaid. "När vi hade bilderna, tas snabbt, som ramar i en film, vi bearbetade dem precis som alla andra högupplösta data."

Resultaten var videor av AAV som rörde sig i vätska, med subtila förändringar i partikelns yta, antyder att partikelns fysiska egenskaper förändras när den utforskar sin miljö, sa Kelly. Upplösningen var nära tre till fyra Ångström (en enda atom mäts som en Ångström).

När de väl visade att avbildningsstrategierna fungerade, forskarna riktade siktet mot ett mindre mål:antikroppar som produceras av covid-19-patienter.

"Vi såg hur antikroppar i serumet från covid-19-patienter interagerade med de återstående SARS-CoV-2-partiklarna, "Kelly sa, noterar att förmågan att observera sådana interaktioner skulle vara särskilt användbar vid bedömning av livsdugligheten hos vaccinkandidater före kliniska prövningar.

Kelly och hennes team planerar att fortsätta att undersöka den molekylära grunden för SARS-CoV-2 och värdreceptorproteiner med hjälp av flytande fas-EM, som ett komplement till informationen från cryo-EM-resultat.

"Du behöver verkligen data från båda teknikerna för att förstå hur virus ser ut och beter sig i den levande kroppen, "Sa Kelly. "Visualisering av den dynamiska rörelsen i lösningen kompletterar högupplösta ögonblicksbilder för att avslöja mer fullständig information."