液体环境中病毒的第一个高分辨率视图

夏天的池塘比冬天的池塘更能揭示一条鱼。生活在冰天雪地里的鱼可能会保持足够的静止来研究它的鳞片，但要了解鱼是如何游泳和行为的，它需要在三维空间里自由移动。根据宾夕法尼亚州立大学分子生物物理学哈克主席和生物医学工程教授Deb Kelly领导的研究团队，同样适用于分析生物项目，如病毒，如何在人体内移动，他使用先进的电子显微镜(EM)技术来观察人类病毒如何在接近原生环境中以高分辨率移动。凯利说，可视化技术可以帮助人们更好地了解候选疫苗和治疗方法在与靶细胞相互作用时的行为和功能。

为了扩大科学家们研究微观世界的工具，研究人员用电子显微镜记录了人类病毒在液体中漂浮的20秒长的实时电影，其细节接近原子。使用传统的静态成像方法可能需要长达24小时才能获得与它们所记录的相同程度的信息。他们的方法和结果发表在7月24日的《先进材料》杂志上。

“挑战仍然是在动态系统中观察生物材料，以反映它们在体内的真实性能，”凯利说，他同时也是宾夕法尼亚州立大学结构肿瘤学中心的主任。“我们的研究结果显示了微小体积液体中含有的人类病毒的新结构和积极见解——与传播SARS-CoV-2的呼吸道飞沫大小相同。”

Kelly说，低温电子显微镜(cryo-EM)正在成为该领域在原子分辨率或更高分辨率下观察样品的金标准。该技术包括闪冻样品，并将一束电子束聚焦通过样品。电子和样品的成分相互作用，被嵌入仪器的探测器捕获。通过处理数千张图像，可以计算出物品在3D环境下的样子，但要完全理解物品在更自然的环境下是如何工作的，还需要更多的图像。

“虽然冷冻电镜可以告诉我们很多信息，但它仍然产生静态图像，”该论文的第一作者、哈克生命科学研究所生物信息学和基因组学研究生项目的学生GM Jonaid说。乔纳森正在凯利的实验室进行他的博士论文研究。“通过改进的芯片和显微镜上强大的直接检测器，我们可以积累大量的电影帧来实时观察样品的行为。我们可以看到事物是如何存在的，而不仅仅是我们如何准备它们。”

研究人员使用腺相关病毒(AAV)作为模型系统来演示他们的方法。AAV是一种生物纳米颗粒，可用于帮助将疫苗或治疗直接输送到细胞。该平台是基于一种被劫持的腺病毒，它可以很容易地进入多种细胞。它与细胞相互作用的便利性使它成为一个有用的胶囊来运输其工程有效载荷。

凯利说:“AAV是一种众所周知的基因治疗载体，目前应用于COVID-19的药物输送和疫苗开发。”“这个模型系统已经得到了充分的研究，所以我们可以用它来验证我们的方法，目标是看到液体状态下的生物权利，就像维持在人体内一样。”

研究人员将含有AAV的小体积液体溶液应用到专门的氮化硅微芯片井中，该芯片由Protochips公司提供商业供应。然后，他们将微芯片组件放在EM中，以检查病毒的活动。

Jonaid说:“这些图像与低温电镜数据非常相似，但准备工作不那么复杂，技术上也不那么复杂。”“一旦我们有了图像，就像电影帧一样迅速拍摄，我们就像处理其他高分辨率数据一样处理它们。”

凯利说，结果是AAV在液体中移动的视频，粒子表面有细微的变化，这表明粒子的物理性质随着它探索环境而变化。分辨率接近3到4埃(单个原子的测量单位是1埃)。

一旦证明成像策略有效，研究人员就将目光投向了一个更小的目标:COVID-19患者产生的抗体。

凯利说:“我们看到了COVID-19患者血清中含有的抗体如何与剩余的SARS-CoV-2颗粒相互作用。”他指出，在临床试验前评估候选疫苗的可行性时，观察这种相互作用的能力尤其有用。

Kelly和她的团队计划继续使用液相em研究SARS-CoV-2和宿主受体蛋白的分子基础，作为从低温em结果中获得的信息的补充。

“你真的需要两种技术的数据来了解病毒在活体内的外观和行为，”凯利说。“可视化溶液中的动态运动可以补充高分辨率快照，以揭示更完整的信息。”

参考:Jonaid GM, Dearnaley WJ, Casasanta MA，等。液滴中的人类病毒的高分辨率成像。放置板牙．n / a (n / a): 2103221。doi:10.1002 / adma.202103221

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