Вопрос-ответ: Профессор обсуждает использование света для «слышания» вирусов
Элад Харел привык проливать свет на тайны естественного мира. Работая на переднем крае сверхбыстрой спектроскопии — применения коротких лазерных импульсов для анализа динамики молекул — доцент Мичиганского государственного университета занимается исследованием того, как микроскопические явления влияют на большие сложные системы.
Одним из перспективных направлений, над которым работает Харель, является разработка новых методов микроскопии, которые позволят исследователям наблюдать молекулярные и атомные ландшафты в движении, а не с помощью статичных изображений.
Теперь в публикации, опубликованной в Трудах Национальной академии наук , Харель и его коллеги сообщают об использовании света для наблюдения и изучения «звука» вируса — слуховом прорыве, который дает возможность заглянуть в неуловимую биологию в реальном времени.
Лаборатория Хареля тесно сотрудничала с Дохуном Пьеном, профессором кафедры микробиологии, генетики и иммунологии (MGI) МГУ, который поделился опытом своей группы в предоставлении мишеней для вирусов.
«Командная работа действительно важна в этом сложном и захватывающем проекте, и очень интересно экспериментально наблюдать за движением этих крошечных вирусных частиц в наномасштабе — они на самом деле «дышат» под воздействием лазерного излучения», — сказал Яцин Чжан, научный сотрудник лаборатории Хареля и первый автор исследования.
«Я уверен, что этот метод может быть широко использован для миллионов вирусов и других биологических образцов и позволит получить от них еще больше бесценной информации. Чем больше мы их узнаем, тем лучше мы сможем подготовиться к следующей пандемии», — добавил Чжан.
Колледж естественных наук встретился с Харелом, чтобы узнать больше об этом открытии и процессе, который он называет биозвуковой спектроскопией.
Эта беседа была отредактирована для большей краткости и ясности.
Немногие люди свяжут слова «вирус», «свет» и «слушать» в одном предложении. Не могли бы вы немного рассказать о фундаментальной науке, стоящей за этим открытием?
Каждый тип системы имеет собственную частоту колебаний, будь то звезда или биологическая сущность, например, вирус. Вы можете думать о ней как о звуке, который имеет материал, когда все атомы вибрируют вместе, как шары, соединенные сложной сетью пружин.
Расположение атомов и их взаимодействие — вот почему, когда я стучу по столу, это звучит иначе, чем если бы я стучал по стене. Конечно, звук может быть гораздо более сложным и содержать важную информацию: если вы слышите знакомый голос в другом конце комнаты, вы можете сразу определить, кто его доносит. Таким образом, звук является мощным средством идентификации.
Исследователи уже несколько лет изучают ультразвуковые колебания металлических наночастиц, но мы хотели задать вопрос: «Издают ли биологические системы звук при воздействии некоторой силы?»
Для инициирования звука мы используем короткие импульсы света, которые генерируют когерентное движение в системе. Затем мы используем второй импульс света, чтобы исследовать это движение в разные моменты времени. Соединяя все снимки во времени, мы можем создать молекулярный фильм, который фиксирует колебательное движение объекта.
Это была своего рода далекая от реальности идея, и для нее не было никаких прецедентов, и мы обнаружили, что вирусы действительно обладают уникальным звучанием, что открывает совершенно новый способ мышления о биологии.
Будь то вирус, белок, бактерия или ядро клетки — у каждого из них будет уникальная сигнатура, которую мы сможем обнаружить.
Почему «прослушивание» биологической системы кажется эффективным подходом по сравнению с другими методами анализа?
Мы пытались решить фундаментальную проблему в биологии, которая также была предметом нашего гранта Фонда Кека, — получить разрешение электронной микроскопии, но для живых систем.
Электронная микроскопия (ЭМ) сама по себе очень мощная, но вы на самом деле делаете моментальные снимки жизни, и вы делаете это в среде, которая сильно отличается от той, что вы обнаруживаете в живых организмах. ЭМ делается в вакууме, а с крио-ЭМ это делается при очень низких температурах, где жизнь не может поддерживаться. Целью гранта Кека была разработка методов микроскопии, которые могут визуализировать и отслеживать биологию в горячей и влажной среде, где функционируют живые существа.
Мы потратили несколько лет на разработку все более и более чувствительных методов, которые могут измерять акустические колебания, особенно на уровне отдельных частиц. Это было в сотрудничестве с лабораторией Pyeon в MGI, которая помогла нам получить доступ к различным вирусам.
Более масштабная картина также заключалась в размышлениях о том, как этот акустический подход можно использовать в качестве мощного зонда визуализации без необходимости маркировки. Это процесс, в котором маркер прикрепляется к молекуле, позволяя исследователям отслеживать и изучать ее поведение и взаимодействия. Хотя процесс маркировки чрезвычайно полезен и специфичен, он может быть медленным и интенсивным.
Одна из наших целей — показать, что эта новая методология может использовать естественную маркировку вируса или молекулы — по сути, звук ее собственных материалов, который отличает ее от всего остального в системе.
Итак, как же в итоге стали звучать эти вирусы? Они когда-нибудь меняют свою мелодию?
Оказалось, что колебания происходят в гигагерцовом диапазоне. Это очень, очень низкая частота с точки зрения оптических переходов. Например, видимый свет находится в сотнях терагерц, так что это в тысячи или миллионы раз более низкая энергия, чем то, что мы обычно думаем в терминах оптической спектроскопии.
В этой статье мы показали, что можем отслеживать отдельные вирусы и даже слушать разрыв вируса. По мере того, как вирус начинает разрушаться и ослабевать, его акустика начинает меняться, становясь ниже — почти как сдувающийся воздушный шар.
Каково будущее этих открытий?
Что мы хотим сделать дальше, так это показать, что мы действительно можем динамически отслеживать, как движется вирус. Если мы хотим наблюдать, как вирус проникает в клетку сейчас, то этот процесс очень, очень сложен и медленен с помощью электронной микроскопии или использования сложной флуоресцентной маркировки.
Например, у нас есть грант с Defense Threat Reduction Agency, которое интересуется биологическим и химическим обнаружением. Одной из вещей, которые они делают, является разработка лекарств, или противовирусных препаратов, для борьбы с вирусными инфекциями.
Идея такова: можем ли мы использовать такую технику для ускорения процесса разработки, поскольку мы потенциально можем наблюдать жизненный цикл вируса от начала до конца и лучше понимать влияние противовирусных препаратов или лекарств на нарушение этого процесса.