Den fina strukturen hos ett fruset virus

Genom att förfina en framväxande bildbehandlingsteknik och utnyttja ett kraftfullt datornätverk har forskare skymtat den tredimensionella strukturen hos ett virus i oöverträffad detalj. Bilderna, som fångar viruset i ett nästan naturligt tillstånd, har tillräckligt bra upplösning för att ryggraden i enskilda proteiner kan spåras - en bedrift som aldrig tidigare har uppnåtts för en hel, intakt organism.

Geografi för ett virus: Med hjälp av en teknik som kallas enpartikelelektronkryomikroskopi avbildades proteinskalet – kallat en kapsid – av epsilon 15-viruset i oöverträffad detalj.

Det är en stor utveckling, säger Paul Matsudaira , direktör för BioImaging Center hos Whitehead Institute for Biomedical Research , som inte var involverad i arbetet.

Denna speciella prestation är i grunden ett skyltfönster för hur den här tekniken har utvecklats till en nivå som är nära atomär upplösning, och som gör att vi kan avbilda ett verkligt levande smittsamt virus i en nästan inhemsk miljö, säger Wen Jiang , biträdande professor i biologiska vetenskaper vid Purdue University , som ledde studien. Resultaten publicerades i numret av tidskriften den 28 februari Natur .

Tekniken, som kallas enpartikelelektronkryomikroskopi, innebär att hela virus fryss ned i en vattenlösning, en metod som bevarar deras naturliga struktur. Frysningsprocessen är så snabb att den resulterande isen är amorf snarare än kristallin, vilket betyder att det inte finns några iskristaller som skadar viruspartiklarna. Det frusna provet bombarderas sedan med en elektronstråle från ett elektronmikroskop.

Multimedia

• Se andra bilder på viruset.

• Se en film av virusmodellen.

De resulterande bilderna gjorde det möjligt för forskarna att skilja mellan strukturer så nära varandra som 4,5 ångström. På strax under en halv nanometer är det avståndet tillräckligt litet för att avslöja detaljer på nära atomnivå. Tidigare bilder av samma virus, även genererade av Jiangs grupp, gav en upplösning på cirka 9,5 ångström – tillräckligt bra för att belysa vissa storskaliga egenskaper hos enskilda proteiner, men inte tillräckligt bra för att spåra dessa proteiners ryggrad.

I andra typer av bildbehandling måste strukturerna som ska avbildas - oavsett om de är hela virus eller utarbetade proteinsammansättningar - ordnas så att alla individuella partiklar är orienterade i exakt samma riktning. Den processen kräver avancerade kristalliseringstekniker som många strukturer, inklusive viruset som används i denna studie, inte är mottagliga för.

Viruset, som kallas epsilon 15, tillhör en familj av virus som infekterar bakterier och har dubbelsträngade DNA-genom och svansar. När du har en svans som sticker ut gör det kristalliseringen ganska svår, säger Jiang.

Enkelpartikelelektronkryomikroskopi eliminerar kristalliseringssteget helt. De många partiklarna som ska avbildas arrangeras och avbildas i slumpmässiga orienteringar, och sedan sammanställs en enda sammansatt tredimensionell modell från tiotusentals av dessa bilder. Faktum är att ju fler orienteringar som fångas desto bättre blir modellen.

Det ger dig möjlighet att lösa strukturer som inte går att kristallisera, säger Matsudaira.

Enkelpartikelmetoden förbättrar också bildkvaliteten genom att skydda de relativt bräckliga virusen från betydande nedbrytning av mikroskopets elektronstråle. Eftersom den slutliga modellen är konstruerad från bilder av ett stort antal viruspartiklar, måste ingen enskild partikel bombarderas tillräckligt länge för att ackumulera stora skador.

Att sätta ihop de många bilderna till en komposit kräver en enorm mängd datorkraft. Jiang och hans grupp utnyttjade Purdues Condor-pool, en resurs som använder inaktiva CPU-cykler från datorer över hela campus. Totalt tog projektet cirka en miljon CPU-timmar, fördelat på cirka 100 dagar.

Det är denna datorkraft, tillsammans med förbättringar av bildbehandlingsprogramvaran, som gjorde det möjligt för forskarna att generera en så högupplöst modell. Eftersom de hade resurserna att hantera en massiv inmatning av data, kunde de kombinera många fler bilder för att skapa kompositen.

Tidigare användningar av elektronkryomikroskopi för att modellera strukturerna hos virus har förlitat sig på genvägar, som att anta att virusets struktur kommer att vara mycket symmetrisk. Tack vare Condor-poolen kunde Jiangs grupp undvika sådana förenklingar när det gäller att fastställa hur virusets ytproteiner passar ihop.

De gjorde det rena experimentet, som var att lösa strukturen utan att anta symmetri, säger Matsudaira. Det, säger han, är projektets viktigaste innovation – ännu mer än 4,5-ångströmsupplösningen.

Från cirka 36 000 bilder med en partikel har forskarna satt ihop en modell av epsilon 15:s proteinskal, känd som en kapsid. Tidigare arbete antydde att kapsiden endast inkorporerade ett huvudprotein. Men förutom att spåra det proteinets ryggrad avslöjade den nya modellen ett mystiskt andra protein - mycket mindre än det första - som ingen tidigare strukturell eller biokemisk studie hade förutspått.

När gruppen analyserade virusets ingående proteiner med en känsligare biokemisk screeningsmetod, fann de verkligen bevis för det mindre proteinet.

Jiang säger att detta resultat vänder konventionell strukturanalys på huvudet. Vanligtvis används en partikels biokemiska sammansättning för att hjälpa till att härleda dess struktur. Här hjälpte virusets struktur, som avslöjades av denna kraftfulla nya analys, att avslöja en tidigare förbisedd biokemisk egenskap.

Vanligtvis bygger strukturen på biokemin, säger Matsudaira, men det var precis tvärtom.

I framtiden hoppas Jiang att ytterligare förbättra upplösningen av bilder som produceras med enpartikelelektronkryomikroskopi. Genom att ytterligare förfina mjukvaran och kanske åberopa ännu mer datorkraft, räknar han med att det kan vara möjligt att nå en upplösning på tre ångström inom de närmaste åren. Den detaljnivån skulle avslöja funktioner på atomnivå.

Utöver epsilon 15 kan tekniken användas för att skapa strukturella modeller av andra, mer kliniskt relevanta virus. Jiangs labb tillämpar för närvarande den nya metoden för West Nile-virus och dengue-virus. Utarbetade proteinstrukturer andra än virala kapsider skulle också vara idealiska mål.

Det här är bara att skrapa på ytan av den här tekniken, säger Jiang. Teknikens potential är så mycket mer än vad vi har uppnått hittills.

Dölj