Опубликовано : Май 29, 2020

Лазерные исследователи биологических наук объединяют усилия для изучения вирусов в каплях

Лазерные исследователи биологических наук объединяют усилия для изучения вирусов в каплях
                На этом рисунке показана запланированная установка для экспериментов с лазерными вирусными каплями в Центре BELLA лаборатории Беркли. Лазерный импульс (слева, красный) создает плазму (светло-синий), которая ускоряет электроны (темно-синий). Ускоренные электроны производят рентгеновские лучи (желтые), которые используются для изображения вируссодержащих капель (синие сферы в центре). Вторичный лазер (справа, красный) также наносит удар по каплям, чтобы получить масс-спектрометрические измерения фрагментов вируса (зеленый). Кредит: Тобиас Остермайр, БЕЛЛА Центр

Специалисты по лазерным технологиям и биологии в Национальной лаборатории им. Лоуренса в Беркли (Berkeley Lab) совместно разрабатывают платформу и проводят эксперименты по изучению структуры и компонентов вирусов, таких как вирус, вызывающий COVID-19, и по изучению взаимодействия вирусов с окружающей средой. окружающая обстановка. Эксперименты могут дать новое представление о том, как снизить инфекционность вирусов.
                                                                                       

Новая платформа будет основана на ведущих в мире исследованиях и разработках Berkeley Lab в области лазерного ускорения плазмы, в которых лазерный импульс создает экзотическое, сверхгорячее состояние вещества, известное как плазма, которая, в свою очередь, быстро ускоряет заряженные частицы — электроны и ионов. Ученые из лаборатории Беркли в прошлом году побили свой собственный мировой рекорд в ускорении электронов до высоких энергий в диапазоне 20 сантиметров.

В новой установке ускоренные электроны будут генерировать рентгеновские лучи, которые будут действовать как микроскопические стробоскопы для захвата изображений вирусных капель, которые попадают на путь рентгеновских лучей. В то же время, синхронизированный в течение квадриллионных долей секунды, второй лазерный луч попадет на капли, чтобы захватить другой слой данных о вирусных частицах и их составе, а также о других веществах в каплях.

«Идея состоит в том, чтобы узнать о вирусе и о том, что вокруг него», — сказал Томас Шенкель, исполняющий обязанности директора отдела ускорительных технологий и прикладной физики в лаборатории Беркли, который является частью команды, планирующей эксперименты. «Как он ведет себя внутри капли и что с ней связано? Как долго вирус жизнеспособен в капле?»

Цель состоит в том, чтобы изучить вирус в определенных биологических жидкостях, таких как слюна, и как он реагирует на соединения, смешанные в капельки. Эксперты по бионаукам в лаборатории Беркли подготовят образцы и примут участие в анализе данных.

В этом пилотном исследовании исследователи будут использовать суррогатные вирусы, которые имеют свойства, аналогичные вирусу SARS-CoV-2, который вызывает COVID-19, но безопасны для работы лабораторных работников.

«Эти капельки — это не просто мини-мешки с водой, а сложная смесь белков и соли, которая влияет на стабильность вируса», — сказал Антуан Снейдерс, научный сотрудник и заведующий кафедрой биоинженерии и биомедицинских наук в биологических лабораториях Беркли. Системно-технический отдел.

Капли предназначены для имитации среды дыхательной системы организма.

«Что интересно в этом исследовании, так это то, что оно приведет к лучшему пониманию химических характеристик дыхательных капель и содержащегося в них вируса», — добавил Снейдерс. «Как только мы поймем химические характеристики и механизм вирусной инактивации в этих капельках, мы сможем снизить эффективность передачи заболеваний, передающихся по воздуху».

Усилия поддерживаются программой Berkeley Lab «Лабораторные исследования и разработки (LDRD)», посредством которой лаборатория направляет финансирование на конкретные области исследований. Лаборатория Беркли, как и другие национальные лаборатории Министерства энергетики США, делает исследование COVID-19 приоритетным.

В экспериментах будут использованы два метода: рентгеновская визуализация для получения структурной информации и масс-спектрометрия для изучения деталей химического состава образцов до уровня отдельных белков и молекул.

Вторичный лазер в экспериментах будет предоставлять спектроскопическую информацию, заряжая и разбивая вещество в образцах. Эти фрагменты, такие как отдельные белковые компоненты вируса, могут быть затем химически измерены и проанализированы детектором.

Очевидно, что установку можно использовать или смоделировать как платформу для тестирования на наличие коронавирусной болезни. Шенкель отметил, что благодаря существующим возможностям в Центре лазерного ускорителя лаборатории Беркли (BELLA) можно получать изображения и измерять около пяти капель каждую секунду. Предлагаемое обновление центра BELLA, которое называется kBELLA, может увеличить скорость до 1000 капель в секунду.

Эрик Эсарей, директор Центра BELLA, заявил, что конечной целью при разработке методов ускорения лазерной плазмы является уменьшение размера и стоимости ускорителей частиц, которые могут использоваться в различных областях для медицинских, промышленных и исследовательских кругов.

«В принципе, это может быть компактное, мощное и недорогое устройство, которое можно установить во многих лабораториях и больницах», — сказал он.

Новые типы источников рентгеновского излучения на основе лазерно-плазменных ускорителей активно исследуются в Центре BELLA и продолжают совершенствоваться. Эти улучшения необходимы для получения изображений с очень низким разрешением очень маленьких вирусов в их среде.

В то время как центр BELLA в настоящее время находится в автономном режиме из-за заказов на укрытие на месте, Шенкель сказал, что началось планирование новой экспериментальной установки с целью проведения первых экспериментов позднее этим летом. Сотрудничество с биологами в Центре BELLA продолжается, и уже есть оборудование для масс-спектроскопии, которое можно адаптировать для новых экспериментов.

Шенкель добавил, что исследователи могут приступить к изменению компьютерного кода, разработанного Berkeley Lab, который моделирует лазерный и электронный лучи, чтобы оптимизировать их для нового исследования.

«Мы рады использовать наши инструменты, чтобы улучшить наше понимание COVID и внести свой вклад в будущую профилактику пандемии», — сказал Шенкель.

«Существует много аналитических методов, которые возникли в результате исследований, проведенных с атомными разрушителями и пучками частиц несколько лет назад, и с тех пор стали рабочими инструментами в биомедицинской науке». Шенкель добавил: «Когда мы обсуждали эту новую идею, было сильное чувство срочности и волнения. Этот проект является одним из примеров, где мы можем немедленно адаптировать свои возможности в ответ на текущий кризис и расширить наш арсенал для предотвращения будущих пандемий». Мы хотим показать, что это работает, чтобы мы могли установить его как новую возможность для сообщества. «/P>

Spread the love

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *