La fina estructura de un virus congelado

Al perfeccionar una técnica de imagen emergente y aprovechar una poderosa red informática, los investigadores han vislumbrado la estructura tridimensional de un virus con un detalle sin precedentes. Las imágenes, que capturan el virus en un estado casi nativo, tienen una resolución lo suficientemente fina como para rastrear la columna vertebral de las proteínas individuales, una hazaña nunca antes lograda para un organismo completo e intacto.

Geografía de un virus: Utilizando una técnica llamada criomicroscopía electrónica de una sola partícula, se obtuvieron imágenes de la capa de proteína, llamada cápside, del virus épsilon 15 con un detalle sin precedentes.

Es un avance importante, dice Paul Matsudaira , director del BioImaging Center en el Instituto Whitehead de Investigación Biomédica , que no participó en el trabajo.

Este logro en particular es básicamente una muestra de cómo esta técnica ha progresado a un nivel cercano a la resolución atómica, y que nos permite obtener imágenes de un virus infeccioso vivo real en un entorno casi nativo, dice Wen Jiang , profesor asistente de ciencias biológicas en Universidad de Purdue , quien dirigió el estudio. Los resultados aparecieron en la edición del 28 de febrero de la revista. Naturaleza .

La técnica, llamada criomicroscopía electrónica de una sola partícula, implica la congelación instantánea de virus enteros en una solución acuosa, un método que conserva su estructura natural. El proceso de congelación es tan rápido que el hielo resultante es amorfo en lugar de cristalino, lo que significa que no hay cristales de hielo que dañen las partículas virales. Luego, la muestra congelada se bombardea con un haz de electrones de un microscopio electrónico.

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Las imágenes resultantes permitieron a los investigadores distinguir entre estructuras tan juntas como 4.5 angstroms. Con poco menos de medio nanómetro, esa distancia es lo suficientemente pequeña como para revelar detalles casi a nivel atómico. Las imágenes anteriores del mismo virus, también generadas por el grupo de Jiang, arrojaron una resolución de aproximadamente 9,5 angstroms, lo suficientemente fina para iluminar algunas características a gran escala de proteínas individuales, pero no lo suficientemente fina como para rastrear la columna vertebral de esas proteínas.

En otros tipos de imágenes, las estructuras de las que se van a obtener imágenes, ya sean virus completos o conjuntos de proteínas elaborados, deben disponerse de modo que todas las partículas individuales estén orientadas exactamente en la misma dirección. Ese proceso requiere técnicas de cristalización avanzadas a las que muchas estructuras, incluido el virus utilizado en este estudio, no son susceptibles.

El virus, llamado épsilon 15, pertenece a una familia de virus que infectan bacterias y tienen genomas y colas de ADN de doble hebra. Cuando tienes una cola que sobresale, hace que la cristalización sea bastante difícil, dice Jiang.

La criomicroscopía electrónica de una sola partícula elimina por completo el paso de cristalización. Las muchas partículas de las que se obtendrán imágenes se agrupan y se obtienen imágenes en orientaciones aleatorias, y luego se ensambla un solo modelo tridimensional compuesto a partir de decenas de miles de esas imágenes. De hecho, cuantas más orientaciones se capturen, mejor será el modelo.

Te da la oportunidad de resolver estructuras que no se pueden cristalizar, dice Matsudaira.

El enfoque de una sola partícula también mejora la calidad de la imagen al proteger los virus relativamente frágiles de una degradación significativa por el haz de electrones del microscopio. Dado que el modelo final se construye a partir de imágenes de una gran cantidad de partículas virales, ninguna partícula debe ser bombardeada el tiempo suficiente para acumular un daño importante.

Reunir muchas imágenes en una composición requiere una enorme cantidad de potencia informática. Jiang y su grupo aprovecharon el grupo Condor de Purdue, un recurso que usa ciclos inactivos de CPU de computadoras en todo el campus. En total, el proyecto tomó aproximadamente un millón de horas de CPU, distribuidas en aproximadamente 100 días.

Es esta potencia informática, junto con las mejoras en el software de procesamiento de imágenes, lo que permitió a los investigadores generar un modelo de tan alta resolución. Debido a que tenían los recursos para manejar una entrada masiva de datos, podían combinar muchas más imágenes para crear el compuesto.

Los usos anteriores de la criomicroscopía electrónica para modelar las estructuras de los virus se han basado en atajos, como suponer que la estructura del virus será muy simétrica. Gracias al grupo Condor, el grupo de Jiang pudo evitar tales simplificaciones al determinar cómo encajan las proteínas de la superficie del virus.

Hicieron el experimento puro, que consistía en resolver la estructura sin asumir simetría, dice Matsudaira. Esa, dice, es la innovación más significativa del proyecto, incluso más que la resolución de 4.5 angstrom.

A partir de aproximadamente 36.000 imágenes de una sola partícula, los investigadores reconstruyeron un modelo de la capa de proteína de épsilon 15, conocida como cápside. Trabajos anteriores sugirieron que la cápside solo incorporaba una proteína principal. Pero además de rastrear la columna vertebral de esa proteína, el nuevo modelo reveló una misteriosa segunda proteína, mucho más pequeña que la primera, que ningún estudio estructural o bioquímico previo había predicho.

Cuando el grupo volvió a analizar las proteínas constituyentes del virus utilizando un método de detección bioquímica más sensible, de hecho encontraron evidencia de la proteína más pequeña.

Jiang dice que este resultado pone patas arriba el análisis estructural convencional. Por lo general, se recurre a la composición bioquímica de una partícula para ayudar a derivar su estructura. Aquí, la estructura del virus, como lo reveló este nuevo y poderoso análisis, ayudó a descubrir una característica bioquímica que antes se pasaba por alto.

Por lo general, la estructura se basa en la bioquímica, dice Matsudaira, pero esto fue exactamente lo contrario.

En el futuro, Jiang espera mejorar aún más la resolución de las imágenes producidas por criomicroscopía electrónica de una sola partícula. Al refinar aún más el software y quizás invocar aún más potencia de cómputo, anticipa que puede ser posible alcanzar una resolución de tres angstrom en los próximos años. Ese nivel de detalle revelaría características de nivel atómico.

Más allá de épsilon 15, la técnica podría usarse para crear modelos estructurales de otros virus clínicamente más relevantes. El laboratorio de Jiang está aplicando actualmente el nuevo enfoque al virus del Nilo Occidental y al virus del dengue. Las estructuras de proteínas elaboradas distintas de las cápsides virales también serían objetivos ideales.

Esto es solo un rasguño de la superficie de esta técnica, dice Jiang. El potencial de la técnica es mucho más de lo que hemos logrado hasta ahora.

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