Coronavirussen zoals degene die COVID-19 veroorzaakt, zijn bezaaid met "spikes" van eiwitten die zich binden met receptoren op de cellen van hun slachtoffers - de eerste stap in infectie. Nu hebben wetenschappers de eerste gedetailleerde beelden gemaakt van die pieken in hun natuurlijke staat, terwijl ze nog steeds aan het virus gehecht zijn en zonder gebruik te maken van chemische fixeermiddelen die hun vorm zouden kunnen vervormen.

Ze zeggen hun methode, die cryogene elektronenmicroscopie (cryo-EM) en berekening combineert, snellere en meer realistische snapshots moeten produceren van het infectieapparaat in verschillende stammen van het coronavirus, een cruciale stap in het ontwerpen van therapeutische geneesmiddelen en vaccins.

"Het voordeel om het op deze manier te doen, is dat wanneer je een spike-eiwit zuivert en het afzonderlijk bestudeert, je verliest belangrijke biologische context:hoe ziet het eruit in een intact virusdeeltje? Het zou daar mogelijk een andere structuur kunnen hebben, " zei Wah Chiu, een professor aan DOE's SLAC National Accelerator Laboratory en Stanford University en senior auteur van de studie. Ze beschreven hun resultaten in Kwartaaloverzichten Biofysica Discovery .

Van zeven soorten coronavirussen is bekend dat ze mensen infecteren. Vier veroorzaken relatief milde ziekten; de andere drie, waaronder SARS-CoV-2, het virus dat COVID-19 veroorzaakt – kan dodelijk zijn, zei co-auteur Jing Jin, een expert in de moleculaire biologie van virussen bij Vitalant Research Institute in San Francisco. Wetenschappers van Vitalant jagen op virussen in bloed- en ontlastingsmonsters van mens en dier, bloedmonsters screenen tijdens uitbraken zoals de huidige pandemie, en bestudeer interacties tussen virussen en hun gastheren.

Het virus dat COVID-19 veroorzaakt, is zo virulent dat er maar een paar cryo-EM-laboratoria ter wereld zijn die het kunnen bestuderen met een voldoende hoog niveau van bioveiligheidscontroles, zei Jin. Dus voor deze studie het onderzoeksteam keek naar een veel mildere coronavirusstam genaamd NL63, die symptomen van verkoudheid veroorzaakt en verantwoordelijk is voor ongeveer 10% van de menselijke luchtwegaandoeningen per jaar. Men denkt dat het zich aan dezelfde receptoren op het oppervlak van menselijke cellen hecht als het COVID-19-virus.

In plaats van de spike-eiwitten van NL63 chemisch te verwijderen en te zuiveren, de onderzoekers bevroor het geheel, intacte virussen in een glazige staat die de natuurlijke rangschikking van hun componenten behoudt. Then they made thousands of detailed images of randomly oriented viruses using cryo-EM instruments at the Stanford-SLAC Cryo-EM Facilities, digitally extracted the bits that contained spike proteins, and combined them to get high-resolution pictures.

"The structure we saw had exactly the same structure as it does on the virus surface, free of chemical artifacts, " Jin said. "This had not been done before."

The team also identified places where sugar molecules attach to the spike protein in a process called glycosylation, which plays an important role in the virus's life cycle and in its ability to evade the immune system. Their map included three glycosylation sites that had been predicted but never directly seen before.

Although a German group has used a similar method to digitally extract images of the spike protein from SARS-CoV-2, Jin said, they had to fix the virus in formaldehyde first so there would be no danger of it infecting anyone, and this treatment may cause chemical changes that interfere with seeing the true structure.

Vooruit gaan, ze zei, the team would like to find out how the part of the spike that binds to receptors on human cells is activated, and also use the same technique to study spike proteins from the virus that causes COVID-19, which would require specialized biohazard containment facilities.