Un étang en été peut en révéler plus sur un poisson qu'un étang en hiver. Le poisson vivant dans des conditions glaciales pourrait rester assez immobile pour étudier ses écailles, mais pour comprendre comment le poisson nage et se comporte, il doit se déplacer librement en trois dimensions. Il en va de même pour l'analyse de la manière dont les éléments biologiques, comme les virus, se déplacer dans le corps humain, selon une équipe de recherche dirigée par Deb Kelly, Chaire Huck en biophysique moléculaire et professeur de génie biomédical à Penn State, qui a utilisé la technologie avancée de microscopie électronique (EM) pour voir comment les virus humains se déplacent en haute résolution dans un environnement quasi natif. La technique de visualisation pourrait conduire à une meilleure compréhension de la façon dont les vaccins candidats et les traitements se comportent et fonctionnent lorsqu'ils interagissent avec les cellules cibles, dit Kelly.

Dans un effort pour étendre les outils dont les scientifiques disposent pour étudier le monde microscopique, les chercheurs ont enregistré en direct, Films de 20 secondes de virus humains flottant dans un liquide avec des détails proches de l'atome dans un microscope électronique. Le même degré d'information, immédiatement disponibles au fur et à mesure de leur enregistrement, L'acquisition peut prendre jusqu'à 24 heures à l'aide des méthodes d'imagerie statique traditionnelles. Leur approche et leurs résultats ont été mis en ligne le 24 juillet dans Matériaux avancés .

« Le défi restait de visualiser les matériaux biologiques dans des systèmes dynamiques qui reflètent leurs performances authentiques dans le corps, " dit Kelly, qui dirige également le Penn State Center for Structural Oncology. "Nos résultats montrent de nouvelles structures et des informations actives sur les virus humains contenus dans des volumes infimes de liquide, de la même taille que les gouttelettes respiratoires qui propagent le SRAS-CoV-2."

La microscopie électronique cryogénique (cryo-EM) est en train de devenir l'étalon-or du domaine pour l'observation d'échantillons à ou au-delà de la résolution atomique, selon Kelly. La technique consiste à geler rapidement l'échantillon et à focaliser un faisceau d'électrons à travers celui-ci. Les électrons et les composants de l'échantillon interagissent, qui est capturé par des détecteurs intégrés dans l'instrument. Des milliers d'images peuvent être traitées pour calculer à quoi ressemble l'élément en 3D, mais il en faut plus pour bien comprendre comment l'élément fonctionne dans un cadre plus naturel.

"Alors que cryo-EM peut nous donner beaucoup d'informations, il produit toujours une image statique, " a déclaré le directeur général Jonaid, le premier auteur de l'article et un étudiant du programme d'études supérieures en bioinformatique et génomique des Huck Institutes of the Life Sciences. Jonaid mène sa thèse de doctorat dans le laboratoire de Kelly. "Avec des puces améliorées et un puissant détecteur direct sur le microscope, nous pouvons accumuler beaucoup d'images de film pour voir comment l'échantillon agit en temps réel. Nous pouvons voir les choses telles qu'elles existent, pas seulement comment nous les avons préparées."

Les chercheurs ont utilisé le virus adéno-associé (AAV) comme système modèle pour démontrer leur approche. L'AAV est une nanoparticule biologique qui peut être utilisée pour aider à administrer des vaccins ou des traitements directement aux cellules. La plateforme est basée sur un adénovirus détourné, qui peut facilement entrer dans plusieurs types de cellules. La facilité avec laquelle il interagit avec les cellules en fait une capsule utile pour transporter sa charge utile conçue.

« AAV est un produit bien connu, véhicule de thérapie génique avec des applications actuelles impliquées dans l'administration de médicaments et le développement de vaccins pour COVID-19, " a déclaré Kelly. " Ce système modèle est déjà bien étudié, nous pouvons donc l'utiliser pour valider notre approche dans le but de voir les titres biologiques à l'état liquide, tel qu'il est maintenu dans le corps humain."

Les chercheurs ont appliqué des volumes infimes de solution liquide contenant de l'AAV dans les puits de micropuces spécialisées en nitrure de silicium, commercialement fournis par Protochips Inc. Ils ont ensuite placé les assemblages de micropuces dans l'EM pour examiner les virus en action.

"Les images sont très comparables aux données cryo-EM, mais la préparation était moins complexe, moins techniquement impliqué, " a déclaré Jonaid. " Une fois que nous avons eu les images, pris rapidement, comme les images d'un film, nous les avons traitées comme nous le ferions pour n'importe quelle autre donnée haute résolution."

Les résultats étaient des vidéos d'AAV se déplaçant dans un liquide, avec des changements subtils dans la surface de la particule, suggérant que les propriétés physiques de la particule changent à mesure qu'elle explore son environnement, dit Kelly. La résolution était proche de trois à quatre Angströms (un seul atome est mesuré comme un Angström).

Une fois qu'ils ont prouvé que les stratégies d'imagerie fonctionnaient, les chercheurs ont jeté leur dévolu sur une cible plus petite :les anticorps produits par les patients COVID-19.

« Nous avons vu comment les anticorps contenus dans le sérum des patients COVID-19 interagissaient avec les particules restantes du SRAS-CoV-2, " Kelly a dit, notant que la capacité d'observer de telles interactions serait particulièrement utile lors de l'évaluation de la viabilité des vaccins candidats avant les essais cliniques.

Kelly et son équipe prévoient de continuer à étudier les fondements moléculaires du SRAS-CoV-2 et des protéines récepteurs de l'hôte à l'aide de la phase liquide EM, en complément des informations recueillies à partir des résultats cryo-EM.

« Vous avez vraiment besoin des données des deux techniques pour comprendre à quoi ressemblent les virus et se comportent dans le corps vivant, " a déclaré Kelly. " La visualisation du mouvement dynamique dans la solution complète les instantanés haute résolution pour révéler des informations plus complètes. "