Um lago no vera£o pode revelar mais sobre um peixe do que um lago no inverno. Os peixes que vivem em condições geladas podem permanecer ima³veis o suficiente para estudar suas escamas, mas para entender como o peixe nada e se comporta, ele precisa se mover livremente em trêsDimensões . O mesmo vale para a análise de como itens biola³gicos, como va­rus, se movem no corpo humano, de acordo com uma equipe de pesquisa liderada por Deb Kelly, Huck Chair em Biofa­sica Molecular e professora de engenharia biomédica na Penn State, que usou microscopia eletra´nica avana§ada. (EM) tecnologia para ver como os va­rus 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 esfora§o para expandir as ferramentas que os cientistas tem para estudar o mundo microsca³pico, os pesquisadores gravaram filmes ao vivo de 20 segundos de va­rus humanos flutuando em um la­quido com detalhes quase ata´micos em um microsca³pio eletra´nico. O mesmo grau de informação, imediatamente dispona­vel quando eles registram, pode levar até24 horas para ser adquirido usando os manãtodos tradicionais de imagem esta¡tica. Sua abordagem e resultados foram disponibilizados online no dia 24 de julho em Materiais Avana§ados .

"Permaneceu o desafio de ver os materiais biola³gicos em sistemas dina¢micos que refletem seu desempenho autaªntico no corpo", disse Kelly, que também dirige o Penn State Center for Structural Oncology. "Nossos resultados mostram novas estruturas e percepções ativas de va­rus humanos contidos em volumes diminutos de la­quido - o mesmo tamanho das gota­culas respirata³rias que espalham a SARS-CoV-2."

A microscopia eletra´nica criogaªnica (crio-EM) estãose tornando o padrãoouro do campo para a observação de amostras em ou além da resolução atômica, de acordo com Kelly. A técnica envolve o congelamento instanta¢neo da amostra e o foco de um feixe de elanãtrons atravanãs dela. Os elanãtrons e os componentes da amostra interagem, o que écapturado por detectores embutidos no instrumento. Milhares de imagens podem ser processadas para calcular a aparaªncia do item em 3D - mas énecessa¡rio 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 esta¡tica", disse GM Jonaid, o primeiro autor do artigo e aluno do Programa de Graduação em Bioinforma¡tica e Gena´mica no Huck Institutes of the Life Sciences. Jonaid estãoconduzindo sua pesquisa de tese de doutorado no laboratório de Kelly. "Com chips aprimorados e um detector direto poderoso no microsca³pio, 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 va­rus adeno-associados (AAV) como sistema modelo para demonstrar sua abordagem. AAV éuma nanoparta­cula biológica que pode ser usada para ajudar a entregar vacinas ou tratamentos diretamente a s células. A plataforma ébaseada em um adenova­rus sequestrado, que pode facilmente entrar em vários tipos de células. A facilidade com que ele interage com as células o torna uma ca¡psula útil para transportar sua carga útil projetada.

"O AAV éum vea­culo de terapia genanãtica bem conhecido com aplicações atuais envolvidas na entrega de drogas e desenvolvimento de vacinas para COVID-19", disse Kelly. “Este modelo de sistema já estãobem estudado para que possamos utiliza¡-lo para validar nossa abordagem com o objetivo de ver ta­tulos biola³gicos em estado la­quido , como mantidos no corpo humano ”.

Os pesquisadores aplicaram volumes diminutos de solução la­quida contendo AAV aos poa§os de microchips de nitreto de sila­cio especializados, comercialmente fornecidos pela Protochips Inc. Eles então colocaram os conjuntos de microchip no EM para examinar os va­rus em ação.

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

Os resultados foram va­deos de AAV movendo-se em la­quido, commudanças sutis nasuperfÍcie da parta­cula, sugerindo que as propriedades físicas da parta­cula mudam conforme ela explora seu ambiente, disse Kelly. A resolução foi próxima a três a quatro Angstroms (um aºnico a¡tomo émedido como um Angstrom).

Depois de comprovar que as estratanãgias 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 aspartículas 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 protea­nas do receptor do hospedeiro usando o EM de fase la­quida, como um complemento a s informações obtidas a partir dos resultados do crio-EM.

"Vocaª realmente precisa de dados de ambas as técnicas para entender como os va­rus se parecem e se comportam no corpo vivo", disse Kelly. "Visualizar o movimento dina¢mico na solução complementa os instanta¢neos de alta resolução para revelar informações mais completas."