Tecnologia Científica

Os pesquisadores filmam os vírus humanos em gotículas líquidas em detalhes quase atômicos
Os peixes que vivem em condições geladas podem permanecer imóveis o suficiente para estudar suas escamas, mas para entender como o peixe nada e se comporta, ele precisa se mover livremente em três dimensões.
Por Ashley J. Wennersherron - 30/07/2021


Os pesquisadores da Penn State usaram microscopia eletrônica para obter a primeira visão de alta resolução de vírus em um ambiente líquido. A visualização pode revelar informações sobre a estrutura e dinâmica de materiais macios em tempo real, enquanto a reconstrução 3D (foto aqui) pode confirmar os achados. Crédito: Deb Kelly, Penn State

Um lago no verão pode revelar mais sobre um peixe do que um lago no inverno. Os peixes que vivem em condições geladas podem permanecer imóveis o suficiente para estudar suas escamas, mas para entender como o peixe nada e se comporta, ele precisa se mover livremente em três dimensões. O mesmo vale para a análise de como itens biológicos, como vírus, se movem no corpo humano, de acordo com uma equipe de pesquisa liderada por Deb Kelly, Huck Chair em Biofísica Molecular e professora de engenharia biomédica na Penn State, que usou microscopia eletrônica avançada. (EM) tecnologia para ver como os vírus humanos se movem em alta resolução em um ambiente quase nativo. A técnica de visualização pode levar a uma melhor compreensão de como as vacinas candidatas e os tratamentos se comportam e funcionam conforme interagem com as células-alvo, disse Kelly.

Em um esforço para expandir as ferramentas que os cientistas têm para estudar o mundo microscópico, os pesquisadores gravaram filmes ao vivo de 20 segundos de vírus humanos flutuando em um líquido com detalhes quase atômicos em um microscópio eletrônico. O mesmo grau de informação, imediatamente disponível quando eles registram, pode levar até 24 horas para ser adquirido usando os métodos tradicionais de imagem estática. Sua abordagem e resultados foram disponibilizados online no dia 24 de julho em Materiais Avançados .

"Permaneceu o desafio de ver os materiais biológicos em sistemas dinâmicos que refletem seu desempenho autêntico no corpo", disse Kelly, que também dirige o Penn State Center for Structural Oncology. "Nossos resultados mostram novas estruturas e percepções ativas de vírus humanos contidos em volumes diminutos de líquido - o mesmo tamanho das gotículas respiratórias que espalham a SARS-CoV-2."

A microscopia eletrônica criogênica (crio-EM) está se tornando o padrão ouro do campo para a observação de amostras em ou além da resolução atômica, de acordo com Kelly. A técnica envolve o congelamento instantâneo da amostra e o foco de um feixe de elétrons através dela. Os elétrons e os componentes da amostra interagem, o que é capturado por detectores embutidos no instrumento. Milhares de imagens podem ser processadas para calcular a aparência do item em 3D - mas é necessário mais para compreender totalmente como o item funciona em um ambiente mais natural.

"Embora o crio-EM possa nos fornecer muitas informações, ele ainda produz uma imagem estática", disse GM Jonaid, o primeiro autor do artigo e aluno do Programa de Graduação em Bioinformática e Genômica no Huck Institutes of the Life Sciences. Jonaid está conduzindo sua pesquisa de tese de doutorado no laboratório de Kelly. "Com chips aprimorados e um detector direto poderoso no microscópio, podemos acumular muitos frames do filme para ver como a amostra age em tempo real. Podemos ver as coisas como elas existem - não apenas como as preparamos."

Os pesquisadores usaram vírus adeno-associados (AAV) como sistema modelo para demonstrar sua abordagem. AAV é uma nanopartícula biológica que pode ser usada para ajudar a entregar vacinas ou tratamentos diretamente às células. A plataforma é baseada em um adenovírus sequestrado, que pode facilmente entrar em vários tipos de células. A facilidade com que ele interage com as células o torna uma cápsula útil para transportar sua carga útil projetada.
 
"O AAV é um veículo de terapia genética bem conhecido com aplicações atuais envolvidas na entrega de drogas e desenvolvimento de vacinas para COVID-19", disse Kelly. “Este modelo de sistema já está bem estudado para que possamos utilizá-lo para validar nossa abordagem com o objetivo de ver títulos biológicos em estado líquido , como mantidos no corpo humano ”.

Os pesquisadores aplicaram volumes diminutos de solução líquida contendo AAV aos poços de microchips de nitreto de silício especializados, comercialmente fornecidos pela Protochips Inc. Eles então colocaram os conjuntos de microchip no EM para examinar os vírus em ação.

"As imagens são muito comparáveis ​​aos dados crio-EM, mas a preparação foi menos complexa, menos envolvida tecnicamente", disse Jonaid. "Uma vez que tínhamos as imagens, tiradas rapidamente, como quadros de um filme, nós as processamos como faríamos com quaisquer outros dados de alta resolução."

Os resultados foram vídeos de AAV movendo-se em líquido, com mudanças sutis na superfície da partícula, sugerindo que as propriedades físicas da partícula mudam conforme ela explora seu ambiente, disse Kelly. A resolução foi próxima a três a quatro Angstroms (um único átomo é medido como um Angstrom).

Depois de comprovar que as estratégias de imagem funcionavam, os pesquisadores voltaram suas atenções para um alvo menor: anticorpos produzidos por pacientes COVID-19.

"Vimos como os anticorpos contidos no soro de pacientes com COVID-19 interagiram com as partículas restantes de SARS-CoV-2", disse Kelly, observando que a capacidade de observar tais interações seria especialmente útil ao avaliar a viabilidade de vacinas candidatas antes de testes clínicos.

Kelly e sua equipe planejam continuar investigando os fundamentos moleculares do SARS-CoV-2 e das proteínas do receptor do hospedeiro usando o EM de fase líquida, como um complemento às informações obtidas a partir dos resultados do crio-EM.

"Você realmente precisa de dados de ambas as técnicas para entender como os vírus se parecem e se comportam no corpo vivo", disse Kelly. "Visualizar o movimento dinâmico na solução complementa os instantâneos de alta resolução para revelar informações mais completas."

 

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