211service.com
De fijne structuur van een bevroren virus
Door een opkomende beeldvormingstechniek te verfijnen en een krachtig computernetwerk te gebruiken, hebben onderzoekers een glimp opgevangen van de driedimensionale structuur van een virus in ongekend detail. De beelden, die het virus in een bijna-native staat vangen, hebben een resolutie die zo goed is dat de ruggengraat van individuele eiwitten kan worden getraceerd - een prestatie die nog nooit eerder is bereikt voor een heel, intact organisme.
Geografie van een virus: Met behulp van een techniek genaamd single-particle elektronencryomicroscopie, werd de eiwitschil - een capside genaamd - van het epsilon 15-virus in ongekend detail afgebeeld.
Het is een grote ontwikkeling, zegt Paul Matsudaira , directeur van het BioImaging Center aan de Whitehead Instituut voor Biomedisch Onderzoek , die niet bij het werk betrokken was.
Deze specifieke prestatie is in feite een demonstratie van hoe deze techniek is gevorderd tot een niveau dat bijna atomaire resolutie is, en dat ons in staat stelt om een echt levend infectieus virus in een bijna natuurlijke omgeving af te beelden, zegt Wen Jiang , assistent-professor biologische wetenschappen bij Purdue universiteit , die het onderzoek leidde. De resultaten verschenen in het nummer van 28 februari van het tijdschrift Natuur .
De techniek, single-particle elektronen cryomicroscopie genaamd, omvat het flash-bevriezen van hele virussen in een waterige oplossing, een methode die hun natuurlijke structuur behoudt. Het bevriezingsproces is zo snel dat het resulterende ijs amorf is in plaats van kristallijn, wat betekent dat er geen ijskristallen zijn die de virusdeeltjes kunnen beschadigen. Het bevroren monster wordt vervolgens gebombardeerd met een elektronenbundel van een elektronenmicroscoop.
Multimedia
Zie andere foto's van het virus.
Bekijk een filmpje van het virusmodel.
Met de resulterende afbeeldingen konden de onderzoekers onderscheid maken tussen structuren die zo dicht bij elkaar liggen als 4,5 angstrom. Met iets minder dan een halve nanometer is die afstand klein genoeg om details op bijna atomair niveau te onthullen. Eerdere afbeeldingen van hetzelfde virus, ook gegenereerd door Jiang's groep, leverden een resolutie van ongeveer 9,5 angstrom op - fijn genoeg om enkele grootschalige kenmerken van individuele eiwitten te belichten, maar niet fijn genoeg om de ruggengraat van die eiwitten te traceren.
Bij andere soorten beeldvorming moeten de structuren die moeten worden afgebeeld - of het nu hele virussen zijn of ingewikkelde eiwitassemblages - zo worden gerangschikt dat alle afzonderlijke deeltjes in exact dezelfde richting zijn georiënteerd. Dat proces vereist geavanceerde kristallisatietechnieken waarvoor veel structuren, waaronder het virus dat in dit onderzoek wordt gebruikt, niet vatbaar zijn.
Het virus, epsilon 15 genaamd, behoort tot een familie van virussen die bacteriën infecteren en dubbelstrengs DNA-genomen en staarten hebben. Als je een staart uitsteekt, maakt het kristallisatie behoorlijk moeilijk, zegt Jiang.
Single-particle elektronen cryomicroscopie elimineert de kristallisatiestap volledig. De vele deeltjes die moeten worden afgebeeld, worden gerangschikt en afgebeeld in willekeurige oriëntaties, en vervolgens wordt een enkel samengesteld driedimensionaal model samengesteld uit tienduizenden van die afbeeldingen. Hoe meer oriëntaties worden vastgelegd, hoe beter het model zal zijn.
Het geeft je de mogelijkheid om structuren op te lossen die niet gekristalliseerd kunnen worden, zegt Matsudaira.
De benadering met één deeltje verbetert ook de beeldkwaliteit door de relatief kwetsbare virussen te beschermen tegen aanzienlijke degradatie door de elektronenstraal van de microscoop. Omdat het uiteindelijke model is opgebouwd uit afbeeldingen van een groot aantal virale deeltjes, hoeft geen enkel deeltje lang genoeg te worden gebombardeerd om grote schade te accumuleren.
Het samenvoegen van de vele afbeeldingen tot een composiet vereist een enorme hoeveelheid rekenkracht. Jiang en zijn groep maakten gebruik van Purdue's Condor-pool, een bron die gebruikmaakt van inactieve CPU-cycli van computers over de hele campus. In totaal nam het project ongeveer een miljoen CPU-uren in beslag, verdeeld over ongeveer 100 dagen.
Het is deze rekenkracht, samen met verfijningen aan de beeldverwerkingssoftware, die de onderzoekers in staat stelden om zo'n model met hoge resolutie te genereren. Omdat ze over de middelen beschikten om een enorme hoeveelheid gegevens aan te kunnen, konden ze veel meer afbeeldingen combineren om de composiet te maken.
Eerder gebruik van elektronencryomicroscopie om de structuren van virussen te modelleren, was gebaseerd op snelkoppelingen, zoals de veronderstelling dat de structuur van het virus zeer symmetrisch zal zijn. Dankzij de Condor-pool kon de groep van Jiang dergelijke vereenvoudigingen vermijden bij het bepalen hoe de oppervlakte-eiwitten van het virus in elkaar passen.
Ze deden het pure experiment, namelijk om de structuur op te lossen zonder symmetrie aan te nemen, zegt Matsudaira. Dat, zegt hij, is de belangrijkste innovatie van het project, zelfs meer dan de resolutie van 4,5 angstrom.
Uit ongeveer 36.000 afbeeldingen van enkelvoudige deeltjes hebben de onderzoekers een model van de eiwitschil van epsilon 15 samengesteld, bekend als een capside. Eerder werk suggereerde dat de capside slechts één belangrijk eiwit bevatte. Maar naast het traceren van de ruggengraat van dat eiwit, onthulde het nieuwe model een mysterieus tweede eiwit - veel kleiner dan het eerste - dat geen eerdere structurele of biochemische studie had voorspeld.
Toen de groep de samenstellende eiwitten van het virus opnieuw analyseerde met behulp van een gevoeliger biochemische screeningmethode, vonden ze inderdaad bewijs van het kleinere eiwit.
Jiang zegt dat deze uitkomst de conventionele structurele analyse op zijn kop zet. Gewoonlijk wordt een beroep gedaan op de biochemische samenstelling van een deeltje om de structuur ervan af te leiden. Hier hielp de structuur van het virus, zoals onthuld door deze krachtige nieuwe analyse, een eerder over het hoofd gezien biochemisch kenmerk aan het licht te brengen.
Meestal berust de structuur op de biochemie, zegt Matsudaira, maar dit was precies het tegenovergestelde.
In de toekomst hoopt Jiang de resolutie van afbeeldingen die zijn geproduceerd met single-particle elektronen cryomicroscopie verder te verbeteren. Door de software verder te verfijnen en misschien nog meer rekenkracht in te roepen, verwacht hij dat het mogelijk zal zijn om binnen enkele jaren een resolutie van drie angstrom te bereiken. Dat detailniveau zou kenmerken op atomair niveau blootleggen.
Naast epsilon 15 zou de techniek kunnen worden gebruikt om structurele modellen van andere, meer klinisch relevante virussen te creëren. Het laboratorium van Jiang past momenteel de nieuwe benadering van het West-Nijlvirus en het denguevirus toe. Uitgebreide eiwitstructuren anders dan virale capsiden zouden ook ideale doelen zijn.
Dit is slechts het oppervlak van deze techniek, zegt Jiang. Het potentieel van de techniek is zoveel meer dan wat we tot nu toe hebben bereikt.