La struttura fine di un virus congelato

Affinando una tecnica di imaging emergente e sfruttando una potente rete di computer, i ricercatori hanno intravisto la struttura tridimensionale di un virus con dettagli senza precedenti. Le immagini, che catturano il virus in uno stato quasi nativo, hanno una risoluzione abbastanza fine da poter tracciare la spina dorsale delle singole proteine, un'impresa mai realizzata prima per un organismo intero e intatto.

Geografia di un virus: Utilizzando una tecnica chiamata criomicroscopia elettronica a particella singola, il guscio proteico, chiamato capside, del virus epsilon 15 è stato ripreso con dettagli senza precedenti.

È uno sviluppo importante, dice Paul Matsudaira , direttore del Centro di BioImaging presso il Istituto Whitehead per la ricerca biomedica , che non era coinvolto nei lavori.

Questo particolare risultato è fondamentalmente una vetrina di come questa tecnica è progredita a un livello vicino alla risoluzione atomica e che ci consente di immaginare un vero virus infettivo vivente in un ambiente quasi nativo, afferma Wen Jiang , assistente professore di scienze biologiche presso Università di Purdue , che ha condotto lo studio. I risultati sono apparsi nel numero del 28 febbraio della rivista Natura .

La tecnica, chiamata criomicroscopia elettronica a particella singola, prevede il congelamento rapido di interi virus in una soluzione acquosa, un metodo che preserva la loro struttura naturale. Il processo di congelamento è così veloce che il ghiaccio risultante è amorfo anziché cristallino, il che significa che non ci sono cristalli di ghiaccio a danneggiare le particelle virali. Il campione congelato viene quindi bombardato con un fascio di elettroni da un microscopio elettronico.

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Le immagini risultanti hanno permesso ai ricercatori di distinguere tra strutture vicine tra loro fino a 4,5 angstrom. A poco meno di mezzo nanometro, quella distanza è abbastanza piccola da rivelare dettagli a livello quasi atomico. Le immagini precedenti dello stesso virus, anch'esse generate dal gruppo di Jiang, hanno prodotto una risoluzione di circa 9,5 angstrom, abbastanza fine da illuminare alcune caratteristiche su larga scala delle singole proteine, ma non abbastanza fine da tracciare la spina dorsale di quelle proteine.

In altri tipi di imaging, le strutture da acquisire, siano esse virus interi o complessi complessi proteici, devono essere disposte in modo che tutte le singole particelle siano orientate esattamente nella stessa direzione. Tale processo richiede tecniche di cristallizzazione avanzate a cui molte strutture, incluso il virus utilizzato in questo studio, non sono suscettibili.

Il virus, chiamato epsilon 15, appartiene a una famiglia di virus che infettano i batteri e hanno genomi e code di DNA a doppio filamento. Quando hai una coda che sporge, rende la cristallizzazione piuttosto difficile, dice Jiang.

La criomicroscopia elettronica a particella singola elimina completamente la fase di cristallizzazione. Le molte particelle da riprendere vengono messe in serie e riprese con orientamenti casuali, quindi un singolo modello tridimensionale composito viene assemblato da decine di migliaia di quelle immagini. Infatti, più orientamenti vengono acquisiti, migliore sarà il modello.

Ti dà l'opportunità di risolvere strutture che non possono essere cristallizzate, dice Matsudaira.

L'approccio a singola particella migliora anche la qualità dell'immagine proteggendo i virus relativamente fragili da una significativa degradazione da parte del raggio di elettroni del microscopio. Poiché il modello finale è costituito da immagini di un gran numero di particelle virali, nessuna singola particella deve essere bombardata abbastanza a lungo da accumulare danni maggiori.

L'assemblaggio di molte immagini in un composito richiede un'enorme quantità di potenza di calcolo. Jiang e il suo gruppo hanno sfruttato il pool Condor di Purdue, una risorsa che utilizza cicli di CPU inattivi dai computer del campus. In totale, il progetto ha richiesto circa un milione di ore CPU, distribuite su circa 100 giorni.

È questa potenza di calcolo, insieme ai perfezionamenti del software di elaborazione delle immagini, che ha permesso ai ricercatori di generare un modello ad alta risoluzione. Poiché avevano le risorse per gestire un enorme input di dati, potevano combinare molte più immagini per creare il composito.

Gli usi precedenti della criomicroscopia elettronica per modellare le strutture dei virus si basavano su scorciatoie, ad esempio presumendo che la struttura del virus fosse altamente simmetrica. Grazie al pool Condor, il gruppo di Jiang è stato in grado di evitare tali semplificazioni nel determinare come le proteine ​​di superficie del virus si adattano insieme.

Hanno fatto l'esperimento puro, che consisteva nel risolvere la struttura senza assumere simmetria, dice Matsudaira. Questa, dice, è l'innovazione più significativa del progetto, anche più della risoluzione di 4,5 angstrom.

Da circa 36.000 immagini di singole particelle, i ricercatori hanno messo insieme un modello del guscio proteico di epsilon 15, noto come capside. Lavori precedenti suggerivano che il capside incorporasse solo una delle principali proteine. Ma oltre a tracciare la spina dorsale di quella proteina, il nuovo modello ha rivelato una misteriosa seconda proteina, molto più piccola della prima, che nessun precedente studio strutturale o biochimico aveva previsto.

Quando il gruppo ha rianalizzato le proteine ​​costituenti il ​​virus utilizzando un metodo di screening biochimico più sensibile, hanno effettivamente trovato prove della proteina più piccola.

Jiang afferma che questo risultato capovolge l'analisi strutturale convenzionale. Di solito, la composizione biochimica di una particella è chiamata a derivare la sua struttura. Qui, la struttura del virus, come rivelata da questa nuova potente analisi, ha aiutato a scoprire una caratteristica biochimica precedentemente trascurata.

Di solito la struttura si basa sulla biochimica, dice Matsudaira, ma questo era esattamente l'opposto.

In futuro, Jiang spera di migliorare ulteriormente la risoluzione delle immagini prodotte dalla criomicroscopia elettronica a particella singola. Raffinando ulteriormente il software e forse invocando una potenza di calcolo ancora maggiore, anticipa che potrebbe essere possibile raggiungere una risoluzione di tre angstrom entro i prossimi anni. Quel livello di dettaglio svelerebbe caratteristiche a livello atomico.

Oltre a epsilon 15, la tecnica potrebbe essere utilizzata per creare modelli strutturali di altri virus clinicamente più rilevanti. Il laboratorio di Jiang sta attualmente applicando il nuovo approccio al virus del Nilo occidentale e al virus della dengue. Anche strutture proteiche elaborate diverse dai capsidi virali sarebbero bersagli ideali.

Questo è solo graffiare la superficie di questa tecnica, dice Jiang. Il potenziale della tecnica è molto più di quello che abbiamo raggiunto finora.

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