La nueva visualización de virus tiene implicaciones para el crecimiento de mejores tratamientos y vacunas – ScienceDaily

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Un estanque en verano puede revelar más sobre un pez que un estanque en invierno. Los peces que viven en condiciones de hielo pueden permanecer lo suficientemente inmóviles como para estudiar sus escamas, pero para comprender cómo nadan y se comportan los peces, necesitan moverse libremente en tres dimensiones. Lo mismo ocurre con el análisis de cómo los objetos biológicos, como los virus, se mueven en el cuerpo humano, según un grupo de investigación dirigido por Deb Kelly, catedrática Huck de Biofísica Molecular y profesora de ingeniería biomédica en Penn State, que utilizó microscopía electrónica avanzada. (EM) para ver cómo los virus humanos se mueven en alta resolución en un entorno casi nativo. La técnica de visualización podría conducir a una mejor comprensión de cómo los candidatos a vacunas y los tratamientos se comportan y funcionan cuando interactúan con las células diana, dijo Kelly.

En un esfuerzo por expandir las herramientas que los científicos tienen a su disposición para estudiar el mundo microscópico, los investigadores grabaron imágenes en vivo de 20 segundos de virus humanos flotando en líquido con detalles casi atómicos en un microscopio electrónico. El mismo grado de información, inmediatamente disponible a medida que registran, puede tardar hasta 24 horas en adquirirse utilizando métodos tradicionales de imágenes estáticas. Su enfoque y resultados se pusieron a disposición en línea el 24 de julio en Material avanzado.

«El desafío seguía siendo visualizar materiales biológicos en sistemas dinámicos que reflejen su desempeño auténtico en el cuerpo», dijo Kelly, quien también dirige el Penn State Center for Structural Oncology. «Nuestros resultados muestran nuevas estructuras e información activa sobre virus humanos contenidos en pequeños volúmenes de líquido, del mismo tamaño que las gotitas respiratorias que propagan el SARS-CoV-2».

Según Kelly, la microscopía electrónica criogénica (cryo-EM) se está convirtiendo en el estándar de oro de la industria para observar muestras en o más allá de la resolución atómica. La técnica implica congelar rápidamente la muestra y enfocar un haz de electrones a través de ella. Los electrones y los componentes de la muestra interactúan, lo que es capturado por detectores integrados en el instrumento. Se pueden procesar miles de imágenes para calcular la apariencia del objeto en 3D, pero se necesita más para comprender completamente cómo funciona el objeto en un entorno más natural.

«Si bien cryo-EM puede brindarnos mucha información, todavía produce una imagen estática», dijo GM Jonaid, primer autor del artículo y estudiante del Programa de Posgrado en Bioinformática y Genómica en los Institutos de Ciencias de la Vida Huck. Jonaid está realizando la investigación de su tesis doctoral en el laboratorio de Kelly. «Con chips mejorados y un potente detector dirigido al microscopio, podemos acumular muchos fotogramas de película para ver cómo actúa la muestra en tiempo real. Podemos ver las cosas tal como existen, no solo cómo las preparamos».

Los investigadores utilizaron virus adenoasociados (AAV) como sistema modelo para demostrar su enfoque. AAV es una nanopartícula biológica que se puede utilizar para ayudar a administrar vacunas o tratamientos directamente a las células. La plataforma se basa en un adenovirus secuestrado, que puede ingresar fácilmente a diferentes tipos de células. La facilidad con la que interactúa con las células lo convierte en una cápsula útil para transportar su carga útil diseñada.

«AAV es un vehículo de terapia génica bien conocido con aplicaciones actuales involucradas en la administración de fármacos y el desarrollo de vacunas para COVID-19», dijo Kelly. «Este sistema modelo ya está bien investigado, por lo que podemos usarlo para validar nuestro enfoque con el objetivo de ver los derechos biológicos en un estado líquido, tal como se mantienen en el cuerpo humano».

Los investigadores aplicaron pequeños volúmenes de solución líquida que contiene AAV a los pozos de microchips especializados de nitruro de silicio, suministrados comercialmente por Protochips Inc. Luego colocaron los grupos de microchip en el EM para examinar los virus en acción.

«Las imágenes son muy comparables a los datos crio-EM, pero la preparación fue menos compleja, menos involucrada técnicamente», dijo Jonaid. «Una vez que obtuvimos las imágenes, tomadas rápidamente, como cuadros de una película, las procesamos como lo haríamos con cualquier otro dato de alta resolución».

Los resultados fueron un video de AAV que se movían en el líquido, con cambios sutiles en la superficie de la partícula, lo que sugiere que las propiedades físicas de la partícula cambian a medida que explora su entorno, dijo Kelly. La resolución fue cercana a tres o cuatro Angstroms (un solo átomo se mide como un Angstrom).

Una vez que demostraron que las estrategias de imágenes funcionaban, los investigadores fijaron su mirada en un objetivo más pequeño: los anticuerpos producidos por los pacientes con COVID-19.

«Vimos cómo los anticuerpos contenidos en el suero de los pacientes con COVID-19 interactuaban con las partículas restantes del SARS-CoV-2», dijo Kelly, y señaló que la capacidad de observar tales interacciones sería particularmente útil al evaluar la viabilidad de los candidatos para el vacuna antes de las pruebas clínicas.

Kelly y su equipo planean continuar estudiando la base molecular del SARS-CoV-2 y las proteínas receptoras del huésped utilizando la fase líquida-EM, como complemento a la información obtenida de los resultados de la crio-EM.

«Realmente se necesitan datos de ambas técnicas para comprender cómo se ven y se comportan los virus en el cuerpo vivo», dijo Kelly. «La visualización dinámica de movimiento en la solución integra instantáneas de alta resolución para revelar información más completa».

Otros colaboradores incluyen a William Dearnaley y Michael Casasanta, investigadores del laboratorio de Kelly; Liam Kaylor, estudiante del Programa de Posgrado de Biociencias Moleculares, Celulares e Integrativas de Penn State y asistente de investigación en el laboratorio de Kelly; Samantha Berry, estudiante de posgrado, Departamento de Ingeniería Biomédica de Penn State; Jennifer Gray, científica de personal y profesora asistente de investigación del Instituto de Investigación de Materiales de Penn State; Madeline Dukes, Protochips Inc.; y Michael Spilman, Direct Electron LP.

Los Institutos Nacionales de Salud y el Instituto Nacional del Cáncer apoyaron este trabajo.

Fuente de la historia:

Materiales proporcionados por Penn State. Original escrito por Ashley J. WennersHerron. Nota: el contenido se puede cambiar por estilo y longitud.

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