Um lago no verão pode revelar mais sobre um peixe do que um lago no inverno. Os peixes que vivem em condições geladas podem permanecer imóveis o suficiente para estudar suas escamas, mas para entender como o peixe nada e se comporta, ele precisa se mover livremente em três dimensões. O mesmo se aplica à análise de como os itens biológicos, como vírus, mova-se no corpo humano, de acordo com uma equipe de pesquisa liderada por Deb Kelly, Huck Chair em Biofísica Molecular e professor de engenharia biomédica na Penn State, que usou a tecnologia avançada de microscopia eletrônica (EM) para ver como os vírus humanos se movem em alta resolução em um ambiente quase nativo. A técnica de visualização pode levar a uma melhor compreensão de como as vacinas candidatas e os tratamentos se comportam e funcionam conforme interagem com as células-alvo, Kelly disse.

Em um esforço para expandir as ferramentas que os cientistas possuem para estudar o mundo microscópico, pesquisadores gravaram ao vivo, Filmes de 20 segundos de vírus humanos flutuando em líquido em detalhes quase atômicos em um microscópio eletrônico. O mesmo grau de informação, imediatamente disponíveis enquanto gravam, pode levar até 24 horas para adquirir usando métodos tradicionais de imagem estática. Sua abordagem e resultados foram disponibilizados online em 24 de julho em Materiais avançados .

"Restava o desafio de ver os materiais biológicos em sistemas dinâmicos que refletissem seu desempenho autêntico no corpo, "disse Kelly, que também dirige o Penn State Center for Structural Oncology. "Nossos resultados mostram novas estruturas e percepções ativas de vírus humanos contidos em volumes diminutos de líquido - o mesmo tamanho das gotículas respiratórias que espalham a SARS-CoV-2."

A microscopia eletrônica criogênica (crio-EM) está se tornando o padrão ouro do campo para a observação de amostras em ou além da resolução atômica, de acordo com Kelly. A técnica envolve o congelamento instantâneo da amostra e o foco de um feixe de elétrons através dela. Os elétrons e os componentes da amostra interagem, que é capturado por detectores embutidos no instrumento. Milhares de imagens podem ser processadas para calcular a aparência do item em 3D - mas é necessário mais para entender completamente como o item funciona em um ambiente mais natural.

"Embora o cryo-EM possa nos dar muitas informações, ainda produz uma imagem estática, "disse o GM Jonaid, o primeiro autor do artigo e aluno do Programa de Pós-Graduação em Bioinformática e Genômica do Huck Institutes of the Life Sciences. Jonaid está conduzindo sua pesquisa de tese de doutorado no laboratório de Kelly. "Com chips aprimorados e um poderoso detector direto no microscópio, podemos acumular muitos frames do filme para ver como a amostra age em tempo real. Podemos ver as coisas como elas existem - não apenas como as preparamos. "

Os pesquisadores usaram vírus adeno-associados (AAV) como sistema modelo para demonstrar sua abordagem. AAV é uma nanopartícula biológica que pode ser usada para ajudar a entregar vacinas ou tratamentos diretamente às células. A plataforma é baseada em um adenovírus sequestrado, que pode facilmente entrar em vários tipos de células. A facilidade com que ele interage com as células o torna uma cápsula útil para transportar sua carga útil projetada.

"AAV é um conhecido, veículo de terapia gênica com aplicações atuais envolvidas na entrega de drogas e desenvolvimento de vacinas para COVID-19, "Kelly disse." Este modelo de sistema já está bem estudado, então podemos usá-lo para validar nossa abordagem com o objetivo de ver títulos biológicos em estado líquido, como mantido no corpo humano. "

Os pesquisadores aplicaram volumes minutos de solução líquida contendo AAV aos poços de microchips de nitreto de silício especializados, fornecido comercialmente pela Protochips Inc. Eles então colocaram os conjuntos de microchip no EM para examinar os vírus em ação.

"As imagens são muito comparáveis ​​aos dados crio-EM, mas a preparação era menos complexa, menos tecnicamente envolvido, "Jonaid disse." Assim que tivermos as imagens, tomado rapidamente, como frames de um filme, nós os processamos como faríamos com quaisquer outros dados de alta resolução. "

Os resultados foram vídeos de AAV movendo-se em líquido, com mudanças sutis na superfície da partícula, sugerindo que as propriedades físicas da partícula mudam à medida que ela explora seu ambiente, Kelly disse. A resolução foi próxima a três a quatro Angstroms (um único átomo é medido como um Angstrom).

Depois de comprovar que as estratégias de imagem funcionaram, os pesquisadores se voltaram para um alvo menor:os anticorpos produzidos por pacientes com COVID-19.

"Vimos como os anticorpos contidos no soro de pacientes com COVID-19 interagiram com as partículas restantes de SARS-CoV-2, "Kelly disse, observando que a capacidade de observar tais interações seria especialmente útil ao avaliar a viabilidade de vacinas candidatas antes dos ensaios clínicos.

Kelly e sua equipe planejam continuar investigando as bases moleculares do SARS-CoV-2 e das proteínas do receptor do hospedeiro usando EM de fase líquida, como um complemento à informação obtida a partir dos resultados crio-EM.

"Você realmente precisa de dados de ambas as técnicas para entender como os vírus se parecem e se comportam no corpo vivo, "A visualização do movimento dinâmico na solução complementa os instantâneos de alta resolução para revelar informações mais completas", disse Kelly.