Gli scienziati dell’EPFL hanno catturato la rapida dinamica di un virus con un dettaglio senza precedenti, utilizzando una versione della crio-microscopia elettronica con una risoluzione temporale di microsecondi.
Le proteine sono componenti indispensabili dei sistemi biologici. Svolgono il loro lavoro con straordinaria precisione e velocità. Per anni, l’osservazione delle proteine ha rappresentato una sfida importante, poiché le tecniche di imaging spesso non avevano la velocità e la risoluzione necessarie per catturare le loro eleganti e veloci danze.
Guidato da Ulrich Lorenz dell’EPFL, un team di scienziati ha utilizzato una nuova tecnica di imaging che estende la risoluzione temporale della crio-microscopia elettronica (cryo-EM) fino al microsecondo per osservare la rapida dinamica di un virus in tempo reale. Lo studio è pubblicato su Nature Communications.
I ricercatori hanno sviluppato la tecnica di imaging per la prima volta nel 2021, basandosi sulla crio-EM, una tecnica che consente di catturare immagini di biomolecole come le proteine con precisione atomica. Nella crio-EM, i campioni vengono posti in ghiaccio vitreo, una forma di ghiaccio simile al vetro che si ottiene quando l’acqua viene congelata così rapidamente da impedire la cristallizzazione. Una volta vetrificato il campione, è possibile scattare immagini ad alta risoluzione della sua struttura molecolare con un microscopio elettronico, uno strumento che forma immagini utilizzando un fascio di elettroni invece della luce.
L’innovativa tecnica della crio-EM è valsa ai suoi inventori, Jacques Dubochet, Joachim Frank e Richard Henderson, il premio Nobel per la chimica nel 2017. Nel 2021, Ulrich Lorenz e il suo laboratorio hanno esteso le capacità della crio-EM per catturare immagini dei movimenti delle proteine su scala di microsecondi (un milionesimo di secondo) sciogliendo rapidamente il campione vetrificato con un impulso laser. Quando il ghiaccio diventa liquido, c’è una finestra di tempo scalabile in cui la proteina può essere indotta a muoversi come nel suo stato liquido naturale nella cellula.
Adottando lo stesso approccio, i ricercatori hanno ora utilizzato la loro tecnica per catturare i rapidi movimenti dei virus con una precisione senza precedenti. Il team si è concentrato sul cowpea chlorotic mottle virus (CCMV), un virus vegetale noto per i suoi ampi movimenti, essenziali per il suo ciclo di infezione. È noto che una variazione del pH provoca una rapida espansione del capside (involucro protettivo) del virus. Grazie alla nuova tecnica, il team ha potuto osservare i meccanismi coinvolti in questo processo.
L’espansione del capside avviene quando il virus infetta una cellula", spiega Ulrich Lorenz. Abbiamo studiato questo processo al contrario, cioè la contrazione del capside, che ci ha permesso di comprendere meglio i meccanismi del capside".
La nuova tecnica di imaging è miracolosa. "Abbiamo ottenuto un’immagine molto dettagliata del funzionamento e dei meccanismi di questa ’macchina’ su scala nanometrica, con la sorprendente scoperta che i diversi movimenti delle proteine del capside avvengono a velocità diverse", dice Ulrich Lorenz. Abbiamo anche imparato che la contrazione, pur essendo un movimento di grande ampiezza, è molto rapida: il virus in espansione assomiglia a una molla tesa che viene improvvisamente rilasciata e si contrae".
Oltre al virus, la nuova tecnica crio-EM con risoluzione temporale di microsecondi permette di affrontare la sfida più ampia dell’osservazione del funzionamento delle proteine. Stiamo dimostrando, per la prima volta, che la nostra tecnica può essere utilizzata per osservare un processo che avviene in natura", spiega Ulrich Lorenz. Non esiste un’altra tecnica per effettuare questo tipo di osservazione. Se sarà possibile estendere i nostri esperimenti a una vasta gamma di sistemi, come crediamo fermamente, la nostra tecnica potrebbe rivoluzionare la nostra comprensione del funzionamento delle proteine".
Riferimenti
Oliver F. Harder, Sarah V. Barrass, Marcel Drabbels, Ulrich J. Lorenz. Dinamiche virali veloci rivelate dalla crio-EM risolta in tempo di microsecondi. Nature Communications 13 settembre 2023. DOI: 10.1038/s41467’023 -41444-x
