Cercetătorii de la Universitatea de stat din (MSU) utilizează lumina pentru a dezvălui vibraţiile unice ale virusurilor, deschizând noi căi pentru imagistica biologică şi cercetarea antivirală pentru dezvoltarea de noi medicamente.
Conf. univ. dr. Elad Harel, profesor asociat la MSU este obişnuit să facă lumină asupra misterelor din lumea naturală. El lucrează la vârful spectroscopiei ultrarapide - utilizarea impulsurilor laser scurte pentru a analiza dinamica moleculară - şi încearcă să descopere modul în care fenomenele microscopice influenţează sistemele complexe de mari dimensiuni.
O frontieră promiţătoare la care Harel a lucrat este dezvoltarea de noi metode de microscopie care vor permite cercetătorilor să observe peisajele moleculare şi atomice în mişcare, faţă de imagini statice. O astfel de activitate i-a adus lui Harel premiul „Inovaţia anului 2023” al MSU, precum şi prima subvenţie acordată vreodată de Fundaţia W.M. Keck.
Acum, într-un nou articol apărut recent în publicaţia Proceedings of the National Academy of Sciences - PNAS, cercetătorul şi colaboratorii săi raportează utilizarea luminii pentru a observa şi studia „sunetul” unui virus - o descoperire care oferă o privire asupra biologiei evazive, în timp real.
„Munca în echipă contează cu adevărat în acest proiect provocator şi interesant şi este fascinant să observăm experimental mişcarea la scară nanometrică a acestor particule mici de virus - ele „respiră” de fapt sub iluminarea laser”, a declarat Yaqing Zhang, cercetător postdoctoral în laboratorul prof. Harel şi primul autor al studiului, într-un comunicat.
Cercetătorii sunt încrezător că această tehnică poate fi utilizată pe scară largă pentru milioane de virusuri şi alte probe biologice pentru a dobândi mai multe informaţii nepreţuite de la acestea.
„Cu cât le cunoaştem mai bine, cu atât ne putem pregăti mai bine pentru următoarea pandemie”, a adăugat Zhang.
Elad Harel în laboratorul său de chimie MSU. Utilizând spectroscopia ultrarapidă, grupul Harel dezvoltă noi metode de microscopie care vor permite cercetătorilor să observe peisajele moleculare şi atomice în mişcare. Credit: Paul Henderson, Finn Gomez / Colegiul de Ştiinţe Naturale (MSU), ianuarie 2025
Colegiul de Ştiinţe Naturale s-a întâlnit cu prof. Harel pentru a afla mai multe despre această descoperire şi despre un proces pe care îl numeşte spectroscopie BioSonic.
Această conversaţie a fost editată pentru lungime şi claritate.
Nu mulţi oameni ar lega împreună cuvintele „virus”, „lumină” şi „ascultare” într-o propoziţie. Aţi putea vorbi puţin despre ştiinţa fundamentală din spatele acestei descoperiri?
Fiecare tip de sistem are o frecvenţă de vibraţie naturală, fie că este vorba de o stea sau de o entitate biologică precum un virus. Vă puteţi gândi la ea ca la sunetul pe care îl are materialul, prin care toţi atomii vibrează împreună ca nişte bile conectate printr-o reţea complexă de arcuri.
Aranjamentul atomilor şi interacţiunile lor reprezintă motivul pentru care, atunci când lovesc o masă, sunetul este diferit de cel al unui perete. Desigur, sunetul poate fi mult mai complex şi poate conţine informaţii importante: Dacă auziţi o voce familiară în cealaltă parte a camerei, puteţi identifica imediat de la cine provine. Prin urmare, sunetul este un mijloc puternic de identificare.
Cercetătorii analizează de mai mulţi ani vibraţiile ultrasonice ale nanoparticulelor metalice, însă noi am dorit să punem întrebarea: „Sistemele biologice produc un sunet atunci când sunt supuse unei anumite forţe?
Pentru a iniţia sunetul, folosim impulsuri scurte de lumină care generează o mişcare coerentă în sistem. Apoi, folosim un al doilea impuls de lumină pentru a sonda această mişcare în diferite momente de timp. Prin înşiruirea tuturor instantaneelor în timp, putem produce un film molecular care surprinde mişcarea vibraţională a obiectului.
Aceasta a fost o idee destul de ciudată, pentru care nu a existat niciun precedent, şi am descoperit că virusurile au un sunet unic, ceea ce deschide un mod cu totul nou de a ne gândi la biologie.
Fie că este vorba despre un virus, o proteină, o bacterie sau nucleul unei celule - fiecare va avea această semnătură unică pe care o putem detecta.
De ce „ascultarea” unui sistem biologic a părut o abordare eficientă în comparaţie cu alte metode de analiză?
Încercam să abordăm o problemă fundamentală în biologie, care a fost, de asemenea, punctul central al grantului Fundaţiei Keck - să obţinem rezoluţia microscopiei electronice, dar pentru sistemele vii.
Microscopia electronică (EM) în sine este foarte puternică, dar, de fapt, luăm instantanee ale vieţii şi o facem într-un mediu care este destul de diferit de cel pe care îl găsim în organismele vii. EM se face în vid, iar crio-EM, se face la temperaturi foarte scăzute, unde viaţa nu poate fi susţinută. Scopul grantului Keck a fost de a dezvolta metode de microscopie care pot vizualiza şi urmări biologia în mediul cald şi umed în care funcţionează organismele vii.
Am petrecut mai mulţi ani dezvoltând tehnici din ce în ce mai sensibile care pot măsura vibraţiile acustice, în special la nivelul unei singure particule. Acest lucru a fost realizat în colaborare cu laboratorul Pyeon din cadrul MGI, care ne-a ajutat să obţinem acces la diferite virusuri.
Imaginea de ansamblu a fost, de asemenea, ţinând cont de modul în care această abordare acustică ar putea fi utilizată ca o sondă de imagistică puternică, fără a fi nevoie de etichetare. Acesta este procesul în care un marker este ataşat unei molecule, permiţând cercetătorilor să urmărească şi să studieze comportamentele şi interacţiunile acesteia. Deşi extrem de util şi specific, procesul de etichetare poate fi lent şi intens.
Unul dintre obiectivele noastre este să arătăm că această nouă metodologie ar putea utiliza etichetarea naturală a unui virus sau a unei molecule - practic, sunetul propriilor materiale care îl diferenţiază de orice altceva dintr-un sistem.
Deci, cum au ajuns să sune aceste virusuri? Îşi schimbă ei vreodată melodia?
S-a dovedit că vibraţiile apar în regiunea gigahertz. Aceasta este o frecvenţă foarte, foarte mică din punctul de vedere al tranziţiilor optice. De exemplu, lumina vizibilă este de ordinul sutelor de terahertzi, astfel încât acestea sunt de mii până la milioane de ori mai mici decât energia la care ne gândim de obicei în ceea ce priveşte spectroscopia optică.
În această cercetare, am arătat că putem urmări virusuri individuali şi chiar să ascultăm dezintegrarea unui virus. Pe măsură ce virusul începe să se deschidă şi să slăbească, acustica sa începe să se schimbe, devenind mai joasă - aproape ca un balon care se dezumflă.
Cum arată viitorul pentru aceste descoperiri?
Ceea ce vrem să facem în continuare este să demonstrăm că putem urmări în mod dinamic modul în care se mişcă un virus. În prezent, dacă dorim să urmărim cum intră un virus într-o celulă, procesul este foarte, foarte dificil şi lent prin microscopie electronică sau prin utilizarea unei etichetări fluorescente complexe.
De exemplu, avem o finanţare de la Agenţia de apărare pentru reducerea ameninţărilor, care este interesată de detectarea biologică şi chimică a potenţialelor ameninţări. Unul dintre lucrurile pe care le fac este să dezvolte medicamente (antivirale), pentru combaterea infecţiilor virale.
Ideea este: Putem folosi acest tip de tehnică pentru a accelera acest proces de dezvoltare - deoarece am putea urmări ciclul de viaţă al unui virus de la început până la sfârşit şi am putea înţelege mai bine influenţa antiviralelor sau a medicamentelor în întreruperea acestui proces.
