Wissenschaftler der EPFL haben die schnelle Dynamik eines Virus in nie dagewesener Detailgenauigkeit mit einer Version der Kryo-Elektronenmikroskopie mit einer zeitlichen Auflösung im Mikrosekundenbereich festgehalten.
Proteine sind unverzichtbare Bestandteile biologischer Systeme. Sie verrichten ihre Arbeit mit außerordentlicher Präzision und Geschwindigkeit. Jahrelang war die Beobachtung von Proteinen eine große Herausforderung, da es den bildgebenden Verfahren oft an Geschwindigkeit und Auflösung mangelte, um ihre eleganten Tänze mit ihrem hohen Tempo einzufangen.
Unter der Leitung von Ulrich Lorenz von der EPFL hat ein Team von Wissenschaftlern ein neues Bildgebungsverfahren eingesetzt, das die zeitliche Auflösung der Kryo-Elektronenmikroskopie (Kryo-EM) bis in den Mikrosekundenbereich steigert, um die schnelle Dynamik eines Virus in Echtzeit zu beobachten. Die Studie wurde in Nature Communications veröffentlicht.
Die Forscherinnen und Forscher entwickelten die Bildgebungstechnik zum ersten Mal 2021 , basierend auf der Kryo-EM, einer Technik, mit der Bilder von Biomolekülen wie Proteinen mit atomarer Genauigkeit aufgenommen werden können. Bei der Kryo-EM werden die Proben in Glaseis gelegt, eine glasähnliche Form von Eis, die entsteht, wenn Wasser so schnell gefroren wird, dass keine Kristallisation stattfinden kann. Sobald die Probe verglast ist, können hochauflösende Bilder ihrer Molekularstruktur mit einem Elektronenmikroskop aufgenommen werden, einem Instrument, das Bilder mithilfe eines Elektronenstrahls anstelle von Licht erzeugt.
Die innovative Kryo-EM-Technik hat ihren Erfindern Jacques Dubochet, Joachim Frank und Richard Henderson 2017 den Nobelpreis für Chemie eingebracht. Im Jahr 2021 haben Ulrich Lorenz und sein Labor die Möglichkeiten der Kryo-EM erweitert, um Bilder von Proteinbewegungen im Mikrosekundenbereich (eine Millionstel Sekunde) zu erfassen, indem die verglaste Probe mit einem Laserpuls schnell geschmolzen wird. Wenn das Eis flüssig wird, gibt es ein modulierbares Zeitfenster, in dem das Protein dazu gebracht werden kann, sich auf die gleiche Weise zu bewegen wie in seinem natürlichen flüssigen Zustand in der Zelle.
Mit demselben Ansatz haben die Forscherinnen und Forscher nun ihre Technik eingesetzt, um die schnellen Bewegungen von Viren mit beispielloser Genauigkeit einzufangen. Das Team konzentrierte sich auf das Virus der chlorotischen Marmorierung der Nibea (CCMV), ein Pflanzenvirus, das für seine weitreichenden Bewegungen bekannt ist, die für seinen Infektionszyklus entscheidend sind. Es ist bekannt, dass eine Änderung des pH-Werts zu einer schnellen Expansion des Kapsids (Schutzhülle) des Virus führt. Mithilfe der neuen Technik konnte das Team die Mechanismen dieses Prozesses beobachten.
"Die Ausdehnung des Kapsids findet statt, wenn das Virus eine Zelle infiziert", sagt Ulrich Lorenz. Wir haben diesen Prozess in umgekehrter Richtung, also die Kontraktion des Kapsids, untersucht, was uns ein besseres Verständnis der Mechanismen des Kapsids ermöglicht hat."
Die neue Bildgebungstechnik wirkt wie ein Wunder. "Wir haben ein sehr detailliertes Bild von der Funktionsweise und den Mechanismen dieser "Maschine" auf der Nanometerskala erhalten, mit der überraschenden Entdeckung, dass die verschiedenen Bewegungen der Kapsidproteine mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten ablaufen", sagt Ulrich Lorenz. Wir haben auch gelernt, dass die Kontraktion, obwohl es sich um eine Bewegung mit großer Amplitude handelt, sehr schnell ist, wobei das sich ausdehnende Virus einer gespannten Feder gleicht, die plötzlich losgelassen wird und sich zusammenzieht."
Über das Virus hinaus ermöglicht die neue Technik der zeitaufgelösten Kryo-EM im Mikrosekundenbereich die Bewältigung der größeren Herausforderung, die Funktionsweise von Proteinen zu beobachten. "Wir zeigen zum ersten Mal, dass unsere Technik dazu verwendet werden kann, einen Prozess zu beobachten, der in der Natur vorkommt", erklärt Ulrich Lorenz. Es gibt keine andere Technik, mit der diese Art der Beobachtung möglich ist. Wenn es sich als möglich erweist, unsere Experimente auf eine große Gruppe von Systemen auszuweiten, wovon wir fest überzeugt sind, könnte unsere Technik unser Verständnis der Funktionsweise von Proteinen revolutionieren."
Referenzen
Oliver F. Harder, Sarah V. Barrass, Marcel Drabbels, Ulrich J. Lorenz. Fast Viral Dynamics Revealed by Microsecond Time-Resolved Cryo-EM. Nature Communications 13 September 2023. DOI: 10.1038/s41467’023 -41444-x
