En la lucha contra los virus que invaden la vida cotidiana, es esencial ver y comprender el campo de batalla. Los científicos del Instituto de Investigación Morgridge tienen, por primera vez, imágenes de estructuras moleculares vitales para la forma en que una clase importante de virus se replica dentro de las células infectadas.
"El desafío es un poco como ser un mecánico de automóviles y no poder ver el motor o cómo se arma en detalle", dice Paul Ahlquist, director de virología en el Instituto Morgridge y profesor de oncología y virología molecular en elUniversidad de Wisconsin-Madison: "Este trabajo es nuestro primer vistazo al motor".
La investigación, publicada el 27 de junio en la revista eLife , utiliza la pionera tomografía de crioelectrones para revelar el complejo proceso de replicación viral con vívido detalle, abriendo nuevas vías para potencialmente interrumpir, desmantelar o redirigir la maquinaria viral.
Uno de varios objetivos en el Laboratorio Ahlquist es comprender la replicación del genoma de los virus de ARN de cadena positiva, la clase genética de virus más grande que incluye muchos patógenos humanos como los virus Zika, Dengue, SARS y Chikungunya. El grupo estudia los procesos ende manera estratégica, centrándose no en los detalles finos de un solo virus importante, sino en principios generales que se aplican a toda la clase.
¿Y por qué centrarse en la replicación del genoma?
"La mayoría del genoma del virus, típicamente del orden del 75 por ciento, se entrega a la replicación del genoma", dice Ahlquist. "El virus nos dice, al votar con su recurso más preciado, su capacidad de codificación:que este es el gran trabajo de la infección "
Este proceso ocurre en las membranas de una célula infectada. Los virus crean compartimientos de replicación, esencialmente nuevos orgánulos, en los que tiene lugar el proceso de replicación del genoma. El nodavirus utilizado como modelo en el laboratorio Ahlquist lleva a cabo este proceso enla membrana mitocondrial
Una mitocondria no infectada tiene dos membranas alrededor de su exterior. En una mitocondria infectada con el virus, el espacio entre esas membranas se expande y se llena con esférulas, vesículas redondas de aproximadamente 50 nanómetros de tamaño.
Desiree Benefield, investigadora postdoctoral en el Laboratorio Ahlquist en el Instituto Morgridge, dice que todos los virus de ARN de cadena positiva dependen del reordenamiento de la membrana del huésped y la formación de compartimientos de replicación para copiar su genoma. Esto es un objetivo atractivo para el espectro amplioantivirales, medicamentos que son efectivos en una amplia gama de virus.
"Con esta nueva información estructural emocionante podemos aprender más sobre cómo se forman y funcionan los compartimentos", dice Benefield. "Esta información contribuirá a nuestra comprensión de la replicación viral y proporcionará información sobre cómo controlarla".
Los compartimientos de replicación, o esférulas, contienen cadenas de ARN, el código genético del virus. Es en estas esférulas donde tiene lugar la síntesis de ARN. Luego, los ARN del producto se expulsan de la esférula y se usan para producir más proteínas, o se empaquetanen nuevas partículas infecciosas para crear la próxima generación de virus.
El nuevo uso de la tomografía crioelectrónica cryo-ET ha permitido a los científicos ver los compartimientos de replicación con detalles sin precedentes, dice Benefield.
"Podemos ver elementos estructurales que anteriormente solo se deducían de experimentos bioquímicos y genéticos, así como características nuevas y sorprendentes que nunca se imaginaron"
La microscopía electrónica tradicional tiene sus limitaciones y requiere una serie de pasos que son severos para la muestra: fijación química, tinción de metales pesados e incrustación en plástico. El proceso es lento, con productos químicos altamente reactivos y peligrosos, y la muestra se fijay, por lo tanto, con imágenes, en un estado antinatural.
La preparación de la muestra para cryo-ET es más simple y produce mejores resultados. La muestra se congela rápidamente en un nanosegundo en etano líquido, se enfría con nitrógeno líquido. Debido a que se congela tan rápidamente, la muestra queda atrapada en un estado mucho más nativo.tampoco hay tiempo para que las moléculas de agua se organicen y cristalicen, por lo que el hielo es vítreo, vítreo.
Si bien la parte criogénica de cryo-ET mejora la preparación de la muestra, el componente de tomografía lleva la imagen un paso más allá al crear visualizaciones en 3D.
Utilizando la microscopía electrónica tradicional, los compartimientos de replicación parecían alargados, casi en forma de balón de fútbol. La técnica de fijación había reducido las esférulas y su contenido se había encogido. Cryo-ET muestra la realidad: las estructuras son bastante redondas, lo que significa que sonbajo presión como un globo, y lleno de hebras de ARN envueltas como una bola de hilo. El tamaño de las esférulas varía según la longitud del ARN que se copia.
"Primero me llamó la atención lo hermosas y elegantes que eran las estructuras", dice Benefield. "Me sorprendió lo eficiente que es el virus para replicar su ARN y cómo cooptó completamente las mitocondrias de la célula huésped para producir más virus.Fue un vistazo detrás de la cortina de un patógeno en el trabajo que fue realmente humillante ".
Las esférulas tienen un cuello a lo largo de la membrana mitocondrial que se abre hacia el citoplasma. Aquí es donde entran los ingredientes para replicar el ARN y salen los productos. Un hallazgo sorprendente fue la existencia de una estructura en forma de corona que se asienta sobreparte superior del cuello.
La estructura es una copa altamente organizada y muy simétrica con 12 dientes alrededor del exterior. Es una característica estructural que probablemente mantiene todo unido. Si la vesícula es un globo redondo bajo presión, la corona es como atar el cuello de ese globo.
Los nuevos resultados muestran además que las coronas contienen las proteínas virales que leen y copian las cadenas de ARN, y pueden representar el motor principal del complejo de replicación del genoma. Hay mucho más trabajo por hacer para refinar la forma y función de estas coronas, pero revelar su existencia e imaginar su estructura y simetría son pasos enormes en la dirección correcta.
"Si queremos manipular y controlar estos complejos, tenemos que entender su operación detallada", dice Ahlquist. "No puedes entender cómo funciona algo si no sabes cómo se ve y cómo se combina".
Ahlquist dice que los virus positivos de la cadena de ARN son solo una de las seis clases diferentes de virus. Cada vez es más evidente que la formación de compartimientos de replicación, y quizás incluso estructuras relacionadas con la corona, puede ser compartida por más de una clase.
"Aunque estas clases se han visto como muy diferentes, existen paralelos en tres de las seis clases en términos de replicación del genoma", dice Ahlquist. "Esto tiene implicaciones evolutivas y nos permite integrar resultados de diferentes sistemas para alcanzar nuevos e inesperadosideas "
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Materiales proporcionado por Instituto Morgridge de Investigación . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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