Опубликовано : Авг 27, 2020

Пять методов, которые мы используем, чтобы раскрыть секреты вирусов

Пять методов, которые мы используем, чтобы раскрыть секреты вирусов
Здоровые клетки легких человека (слева) в сравнении с инфицированными вирусом клетками, как видно в стандартный микроскоп видимого света (увеличение 10x). Предоставлено: Грейс Робертс, автор предоставил

Вирусы часто называют «невидимыми врагами». Они не видны невооруженным глазом или даже при использовании стандартного оптического микроскопа. Итак, как мы узнаем, что они существуют или как они выглядят?

Существуют биохимические методы, такие как те, которые используются для подтверждения инфекции COVID-19, которые ищут доказательства генетического материала вируса. Но есть также несколько различных методов, которые мы используем в лаборатории, чтобы «увидеть» вирусы.

Чтобы понять эти методы, нам сначала нужно понять, насколько маленькие вирусы на самом деле. Большинство наших клеток имеют диаметр около 100 микрометров (0,1 миллиметра). Вирусы примерно в 1000 раз меньше этого, в среднем около 150 нанометров (0,00015 миллиметров).

Световая микроскопия

Стандартные световые микроскопы позволяют четко видеть наши клетки. Однако эти микроскопы ограничены самим светом, поскольку они не могут отображать ничего меньше половины длины волны видимого света, а вирусы намного меньше этого.

Но мы можем использовать микроскопы, чтобы увидеть, какой вред вирусы наносят нашим клеткам. Мы называем это «цитопатическим эффектом», и сравнение инфицированных клеток с неинфицированными позволяет нам обнаружить присутствие вирусов в образце.

Предварительная работа над SARS-CoV-2 (вирусом, вызывающим COVID-19) с помощью световой микроскопии показала, что вирус способен сливать инфицированные клетки вместе с образованием синцитии — больших клеток с множеством ядер — эффект, который ранее проявлялся наблюдались у нескольких других респираторных вирусов.

Пять методов, которые мы используем, чтобы раскрыть секреты вирусов
Иммунофлуоресцентное изображение, показывающее волосы в легких (розовый), ядра клеток легких (синий) и вирусные частицы (зеленый). Предоставлено: Грейс Робертс, автор предоставил

Имунофлуоресценция

Непрямым способом визуализации вирусов является использование антител (очень похожих на те, которые вырабатываются вашим организмом в ответ на инфекцию), чтобы пометить вирусы флуоресцентными молекулами, которые излучают свет при поглощении определенных типов излучения. Мы даже можем пометить несколько вещей (например, вирусы и клеточные компоненты) разными цветами, чтобы мы могли отслеживать более одного объекта одновременно.

Затем мы можем обнаружить флуоресцентный свет от меток, чтобы увидеть, куда вирусы попадают в наши клетки и с какими клеточными структурами они взаимодействуют. Это позволяет нам исследовать такие вещи, как то, как лекарства влияют на репликацию вирусов или как разные штаммы вирусов ведут себя по-разному.

Микроскопия сверхвысокого разрешения

Последние достижения в флуоресцентной микроскопии привели к развитию микроскопии со сверхвысоким разрешением, которая сочетает в себе очень умную физику с вычислительными методами для получения четких изображений, которые выявляют высокодетализированные структуры в клетках.

Использование этого метода в вирусологии позволяет более точно определить участки инфицированной клетки. Например, он может показать, где именно внутри клетки находятся вирусы и какие конкретные части вирусов клеточного оборудования используют для репликации.

Пять методов, которые мы используем, чтобы раскрыть секреты вирусов
Ядро клеток рака кости с нормальной флуоресцентной микроскопией высокого разрешения (слева) и после обработки в сверхвысоком разрешении (справа). Кредит: Кристоф Кремер/Wikimedia Commons, CC BY-SA

Электронная микроскопия

Ни один из упомянутых до сих пор методов не позволяет напрямую визуализировать вирусные частицы. Вот где пригодится электронная микроскопия, поскольку она позволяет получать изображения в нанометровом масштабе. Для этого он запускает электроны в образец и видит, как они с ним взаимодействуют. Затем компьютер интерпретирует эту информацию для создания изображения.

Это позволяет нам визуально исследовать различные стадии вирусной инфекции внутри клеток. Электронную микроскопию можно также использовать для визуализации целых вирусных частиц, как показано на изображении выше. Из этих изображений мы можем сформировать трехмерные структуры целых вирусных частиц путем компьютерной сборки изображений тысяч частиц, снятых в разных ориентациях, таких как этот пример трехмерной ЭМ визуализации SARS-CoV-2.

Пять методов, которые мы используем, чтобы раскрыть секреты вирусов
Электронно-микроскопическая визуализация частиц SARS-CoV-2, приблизительно 150-200 нанометров в диаметре. Фото: Лю и др., CC BY-NC-ND.

Электронная микроскопия была использована для SARS-CoV-2, чтобы определить, как вирус использует свой внешний «шипованный» белок, чтобы взаимодействовать с нашими клетками и заражать их. Такие исследования действительно полезны для выяснения того, как вирус получает доступ к нашим клеткам, чтобы мы могли понять, как использовать лекарства, чтобы блокировать его.

Оценка структуры вирусных частиц также является отличным инструментом для определения того, какие антитела могут нейтрализовать вирус, что может помочь в производстве более точных и эффективных вакцин.

Пять методов, которые мы используем, чтобы раскрыть секреты вирусов
Рентгеновская кристаллографическая структура капсида вируса Норуолк. Фото: Б.В. Прасад и др.

Кристаллография

Кристаллография позволяет нам рассматривать структуры еще более подробно на атомарном уровне. Для этого вам понадобится действительно чистый образец вируса (без мусора), взвешенный в растворе. Жидкость суспензии испаряется, что вызывает кристаллизацию оставшихся твердых частиц (включая вирус). Они выравниваются равномерно, образуя кристаллы, которые затем можно подвергать воздействию рентгеновских лучей.

Детектор регистрирует способ, которым рентгеновские лучи дифрагируют (или «отражаются») от кристаллизованного образца, указывая, где находятся электроны в структуре образца. Затем эту информацию можно использовать для построения трехмерной структуры образца в атомарном масштабе.

Как и электронная микроскопия, кристаллография может использоваться для определения структур вирусов, таких как спайковый белок SARS-CoV-2. Понимание этих структур, особенно того, как они взаимодействуют с нашими клетками и антителами, помогает при разработке вакцин и лекарств.

Spread the love

Добавить комментарий

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