(PhysOrg.com) -- Een van de moeilijkste aspecten van werken op nanoschaal is het daadwerkelijk zien van het object waaraan wordt gewerkt. Biologische structuren zoals virussen, die kleiner zijn dan de golflengte van het licht, zijn onzichtbaar voor standaard optische microscopen en moeilijk vast te leggen in hun oorspronkelijke vorm met andere beeldvormingstechnieken.

Een multidisciplinaire onderzoeksgroep aan de UCLA werkt nu samen om niet alleen een virus te visualiseren, maar ook om de resultaten te gebruiken om het virus aan te passen zodat het medicatie kan afgeven in plaats van ziekte.

In een artikel dat vorige week in het tijdschrift werd gepubliceerd Wetenschap , Hongong Liu, een UCLA postdoctoraal onderzoeker in de microbiologie, immunologie en moleculaire genetica, en collega's onthullen een atomair nauwkeurige structuur van het adenovirus die de interacties tussen zijn eiwitnetwerken laat zien. Het werk levert cruciale structurele informatie voor onderzoekers over de hele wereld die proberen het adenovirus te modificeren voor gebruik in vaccin- en gentherapiebehandelingen voor kanker.

Om een ​​virus te modificeren voor gentherapie, onderzoekers verwijderen het ziekteverwekkende DNA, vervang het door medicijnen en gebruik de virusschil, die is geoptimaliseerd door miljoenen jaren van evolutie, als bestelwagen.

Lily Wu, een UCLA-hoogleraar moleculaire en medische farmacologie en co-hoofdauteur van de studie, en haar groep hebben geprobeerd het adenovirus te manipuleren voor gebruik in gentherapie, maar het gebrek aan informatie over receptoren op het oppervlak van het virus had hun zoektocht belemmerd.

"We ontwikkelen virussen om gentherapie te leveren voor prostaat- en borstkanker, maar eerdere microscopietechnieken waren niet in staat om de aangepaste virussen te visualiseren, "Zei Wu. "Dit was alsof je in het donker de onderdelen van een auto probeerde samen te voegen. waar de enige manier om te zien of je het goed hebt gedaan was om te proberen de auto aan te zetten."

Om het virus beter te visualiseren, Wu zocht hulp bij Hong Zhou, een UCLA hoogleraar microbiologie, immunologie en moleculaire genetica en de andere hoofdauteur van de studie. Zhou gebruikt cryo-elektronenmicroscopie (cryoEM) om atomair nauwkeurige driedimensionale modellen van biologische monsters zoals virussen te produceren.

Wu, die ook onderzoeker is aan het California NanoSystems Institute (CNSI) aan de UCLA, hoorde van het werk van Zhou nadat hij gezamenlijk was gerekruteerd voor de UCLA van de University of Texas Medical School in Houston door de afdeling Microbiologie van de UCLA, Immunologie en moleculaire genetica en UCLA's CNSI.

Ongeveer een jaar geleden, zodra de overdracht van Zhou's lab was voltooid, Sok Boon Koh, een van Wu's studenten, zocht de groep van Zhou op vanwege hun expertise en startte de samenwerking.

"Dit project is een voorbeeld van mijn enthousiasme om deel uit te maken van een innovatief instituut als CNSI, "Zei Zhou. "Ik kan niet alleen werken met de modernste apparatuur, maar omdat CNSI de hub is voor onderzoek en commercialisering van nanotechnologie aan de UCLA, Ik heb de mogelijkheid om samen te werken met collega's uit vele disciplines."

Werken in het Electron Imaging Center for Nanomachines bij het CNSI, een lab gerund door Zhou, gebruikten de onderzoekers cryoEM om een ​​3D-reconstructie te maken van het menselijke adenovirus van 31, 815 individuele deeltjesafbeeldingen.

"Omdat de reconstructie details onthult tot een resolutie van 3,6 angstrom, we in staat zijn om een ​​atoommodel te bouwen van het hele virus, laat precies zien hoe de virale eiwitten allemaal bij elkaar passen en op elkaar inwerken, " zei Zhou. Een angstrom is de afstand tussen de twee waterstofatomen in een watermolecuul, en het gehele adenovirus heeft een diameter van ongeveer 920 angstrom.

Gewapend met dit nieuwe inzicht, Wu en haar groep gaan nu verder met hun gemanipuleerde versies van adenovirus om te gebruiken voor gentherapiebehandeling van kanker.

"Deze doorbraak is een grote sprong voorwaarts, maar er zijn nog veel obstakels te overwinnen, " zei Wu. "Als ons werk succesvol is, deze therapie kan worden gebruikt om de meeste vormen van kanker te behandelen, maar onze eerste inspanningen waren gericht op prostaat- en borstkanker, omdat dit de twee meest voorkomende vormen van kanker bij mannen en vrouwen zijn, respectievelijk."

De groep werkt met het adenovirus omdat uit eerder onderzoek is gebleken dat het een goede kandidaat is voor gentherapie vanwege de efficiëntie bij het afleveren van genetisch materiaal in het lichaam. De virusschil is ook een veilig transportmiddel; tests hebben aangetoond dat de schaal geen kanker veroorzaakt, een probleem dat zich voordeed met een aantal andere virusshells. Het adenovirus is van nature relatief niet-pathogeen, veroorzaakt slechts tijdelijke luchtwegaandoeningen bij 5 tot 10 procent van de mensen.

CryoEM maakt zo'n hoge resolutie reconstructie van biologische structuren mogelijk omdat monsters, in water, worden direct in beeld gebracht. In tegenstelling tot, met röntgenkristallografie (de conventionele techniek voor atomaire resolutiemodellen van biologische structuren), onderzoekers kweken kristalstructuren die het monster repliceren en gebruiken vervolgens diffractie om de kristalstructuur op te lossen. Deze techniek is beperkt omdat het moeilijk is om voor alle eiwitten kristallen te laten groeien, monsters voor röntgenkristallografie moeten zeer zuiver en uniform zijn, en kristallen van grote complexen mogen niet diffracten naar een hoge resolutie. Deze beperkingen hebben ertoe geleid dat kritieke gebieden van het adenovirusoppervlak onopgelost zijn met behulp van röntgenkristallografie.