Cercetătorii cartografiază modificările structurale ale virusurilor în timpul procesului de deshidratare
Abhishek Mall de la Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter din Hamburg (MPSD) și colegii săi au investigat dinamica structurală a cochiliilor proteice, numite capside, care înconjoară materialul genetic al virusurilor.
Mai precis, ei au studiat comportamentul capsidelor bacteriofagului MS2 în condiții de deshidratare. MS2 este un virus ARN cu fir simplu, de tip icosahedral, care infectează bacteria Escherichia coli și este utilizat pe scară largă ca sistem model în virologie. Experimentele au fost efectuate la instrumentul SPB/SFX al European XFEL.
Designul capsidelor este esențial pentru protejarea genomului viral și pentru facilitarea interacțiunilor virusului cu celulele gazdă. Totuși, virusurile se confruntă adesea cu medii care pun la încercare integritatea lor structurală, cum ar fi deshidratarea. Studiile teoretice au sugerat de mult timp că capsidele pot suferi „tranziții de buckling” de energie scăzută – schimbări bruste de formă – pentru a se adapta la aceste stresuri, dar dovezile experimentale directe au fost până acum insuficiente.
Lucrările lui Abhishek Mall și ale colegilor săi din instituții de cercetare din Germania, Suedia, Regatul Unit, Australia, Singapore și Statele Unite umple această lacună. Ei au pulverizat fin un lichid ce conținea virusurile într-o cameră de probă cu umiditate extrem de scăzută, creând un aerosol.
Picăturile călătoresc timp de puțin mai mult de o secundă, în timp ce o parte din lichidul din jur se evaporă, imitând un proces natural de deshidratare. La un moment dat, acestea se intersectează cu fasciculul de laser cu raze X, care capturează practic o fotografie a capsidului. „Am folosit imagistica cu particule unice pentru a investiga schimbările morfologice ale capsidelor virale în timpul aerosolizării”, spune Abhishek Mall. El și colegii săi au colectat modele de difracție de la sute de mii de particule MS2 individuale.
Așa cum explică coautorul Kartik Ayyer, lider de grup la MPSD, echipa a avut inițial ca obiectiv capturarea doar a stării finale, uscate. Însă experimentul s-a transformat într-unul mai puternic, deoarece a generat multe particule în diferite stadii ale procesului de uscare.
Aceasta s-a dovedit a fi o veste bună. A permis reconstruirea unei traiectorii a schimbării structurale prin sortarea instantaneelor de la complet hidratat până la complet uscat și orice între aceste stări.”
O asimetrie surprinzătoare
Una dintre descoperirile cheie ale studiului a fost observarea bucklingului în capsidele MS2 pe măsură ce acestea au trecut de la o stare hidratată la una deshidratată. Bucklingul poate fi comparat cu o sticlă de plastic sub presiune negativă, care se umflă în anumite locuri, în loc să se micșoreze uniform. Cercetătorii au observat că, în starea hidratată, capsidele prezentau o simetrie icosahedral aproape perfectă, așa cum a fost determinat prin microscopia crio-electronică. „Cu toate acestea, pe măsură ce deshidratarea a progresat, capsidele au adoptat conformații mai compacte, cu abateri semnificative de la simetria icosahedral”, descrie Mall.
Importanța acestor schimbări nu a fost uniform distribuită în capsidă. Dimpotrivă, tranziția părea să se întâmple local, cu unele regiuni schimbându-se înaintea altora. „Această constatare este deosebit de semnificativă, deoarece oferă dovezi experimentale directe pentru un mecanism care a fost anterior prezis doar teoretic”, adaugă Richard Bean, om de știință principal la instrumentul SPB/SFX al European XFEL.
Observația a contestat, de asemenea, o presupunere comună despre virusuri. „Multe persoane aveau impresia că această capsulă este ca un recipient rigid. Și acest lucru nu este deloc ceea ce am văzut”, explică Ayyer. În schimb, capsida pare să fie adaptabilă din punct de vedere mecanic la condițiile schimbătoare.
Un „declanșator” molecular pentru buckling
Studiul a explorat și mecanismele moleculare care stau la baza acestor schimbări morfologice. „Simulările de dinamică moleculară au relevat că un segment flexibil al proteinei, numit FG loop, joacă un rol crucial în transformările structurale observate”, afirmă Mall. „Aceste mișcări au dus la contracția loop-urilor FG în jurul porilor cu trei și cinci fețe ai capsidei, rezultând o structură mai compactă.”
Cercetătorii presupun că această contracție este determinată de pierderea moleculelor de apă stabilizatoare, care sunt esențiale pentru menținerea conformației extinse a loop-urilor FG. Această destabilizare localizată acționează probabil ca un mecanism de protecție, reducând expunerea genomului viral în timpul uscării.
O nouă aplicație a învățării automate
O inovație metodologică crucială a studiului a fost integrarea imagisticii cu particule unice (SPI) cu tehnici avansate de învățare automată, cum ar fi β-variational autoencoders (β-VAEs). Această abordare a permis cercetătorilor să analizeze heterogenitatea structurală pe un set de date mare de modele de difracție. „Utilizarea β-VAEs a permis clasificarea particulelor într-un spațiu latent continuu, capturând variațiile de dimensiune și formă cu o precizie remarcabilă”, explică Mall.
Această metodă nu a identificat doar punctele finale ale tranziției structurale – de la stări hidratate la stări deshidratate – ci a și cartografiat conformațiile intermediare care leagă aceste stări. „O astfel de analiză detaliată ar fi fost imposibilă cu metodele tradiționale de mediere a ansamblurilor”, adaugă Bean.
El continuă: „Capacitatea de a captura și analiza peisajul structural al capsidelor virale în timp real reprezintă un avans semnificativ în biologia structurală prin imagistica cu particule unice. Metodele utilizate în acest studiu pot fi extinse la alte sisteme biomoleculare, oferind un instrument puternic pentru investigarea proceselor dinamice care sunt altfel provocatoare.”
Cum supraviețuiesc virusurile în aer
Adaptabilitatea structurală observată în capside oferă informații fundamentale despre modul în care virusurile pot supraviețui stresurilor de mediu. Această cunoaștere este deosebit de relevantă în ceea ce privește virusurile transmise prin aerosoli, inclusiv multe patogene care afectează oamenii.
„Prin elucidarea mecanismelor care permit reziliența virală, munca lui Abhishek Mall și a colegilor săi pune bazele pentru aplicații potențiale în virologie și sănătate publică, de exemplu, pentru a dezvolta strategii antivirale”, afirmă Sakura Pascarelli, Director Științific la European XFEL. Rezultatele aruncă o lumină asupra unui aspect critic al supraviețuirii virale. „Rezultatele nu doar că avansează înțelegerea noastră a mecanicii virale, dar deschid și noi căi pentru cercetare și inovație în virologie și biologia structurală”, subliniază Pascarelli.
Studii suplimentare sunt planificate pentru a investiga comportamentul observat în condiții mai realiste. „În acest experiment, am folosit un lichid foarte curat, care
