Una colaboración de investigación dirigida por la Universidad de Wisconsin-Milwaukee ha creado por primera vez una película tridimensional que muestra un virus que se prepara para infectar una célula sana.
La investigación tiene el potencial de avanzar fundamentalmente en nuestra comprensión de cómo funcionan los procesos biológicos dentro de la célula. Eso podría conducir a un mejor tratamiento para la horda de enfermedades humanas causadas por virus.
La hazaña fue posible gracias a los físicos de UWM, que desarrollaron una nueva generación de algoritmos poderosos para reconstruir imágenes secuenciales a partir de un océano de datos ruidosos y sin clasificar.
Utilizando el equipo de imágenes más brillante y rápido disponible: un láser de electrones sin rayos X XFEL en el Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC en California, un equipo internacional de investigadores recolectó millones de "instantáneas" individuales de un virus en orientaciones desconocidasy estados.
"En el pasado, los científicos han intentado inferir lo que está sucediendo en un proceso biológico a escala molecular mirando una foto fija al comienzo y una foto fija al final de un proceso", dijo Abbas Ourmazd, profesor distinguido de la UWM."Pero entonces no sabes lo que sucede en el medio. Con este método, estamos en condiciones de ver cómo las máquinas biológicas realizan sus funciones". Al combinar conceptos de aprendizaje automático, geometría diferencial, teoría de grafos y física de difracción, los investigadores crearonUn algoritmo capaz de reconstruir imágenes secuenciales.
El trabajo, realizado en colaboración con la profesora Brenda Hogue, viróloga de la Universidad Estatal de Arizona, y Andrew Aquila y sus colegas de la Fuente de Luz Coherente Linac en SLAC, se publica hoy en la revista Métodos de la naturaleza.
Para replicarse, un virus invade una célula saludable, libera su ADN y efectivamente secuestra la maquinaria de la célula para fabricar copias de sí mismo. La multitud de progenie viral es expulsada para infectar otras células.
Los resultados de los investigadores muestran que el virus reorganiza su contenido genómico y forma una estructura tubular para vaciar su ADN en una célula.
"Este trabajo proporciona un nuevo enfoque para comprender los cambios que sufren los virus durante la infección", dijo Hogue.
Además de mostrar cómo se desarrollan estos eventos, los investigadores de la UWM descubrieron que la reorganización del genoma del virus y la formación de una estructura tubular no son eventos independientes, sino parte de un proceso simultáneo concertado.
La mayoría de los virus son demasiado pequeños para ser fotografiados por la luz. Los intensos destellos de rayos X del XFEL producen "instantáneas" de partículas a nanoescala a través de difracción. Los rayos X golpean la partícula y se dispersan en un patrón que proporciona los datos para matemáticareconstrucción.
Hace más de cinco años, el investigador senior de UWM Ahmad Hosseinizadeh, el primer autor del artículo, comenzó a trabajar en el algoritmo necesario para convertir instantáneas ruidosas de XFEL en imágenes fijas en 3D. A partir de ahí, el trabajo colaborativo con científicos de diferentesantecedentes, dijo Peter Schwander, profesor asociado de la UWM. "La gente no creía que se pudiera hacer", dijo Schwander.
"Hemos estado desarrollando algoritmos para reconstruir imágenes en el orden correcto desde 2009, por lo que el equipo de UWM estaba bien posicionado para realizar dicho análisis", dijo. "Pero fue difícil. Pudimos hacerlo funcionarobservando cómo se realizan los experimentos y adaptando la ciencia de datos a los datos "
Este trabajo se realizó como parte de la participación de UWM y ASU en el Centro de Ciencia y Tecnología BioXFEL, que está financiado por la National Science Foundation. Su misión es utilizar el XFEL para observar las máquinas biomoleculares en funcionamiento, comprender cómo apoyan la vida,y proporcionar capacitación y nuevas herramientas a la comunidad científica.
Otros coautores del artículo incluyen a los investigadores Jeremy Copperman, Ghoncheh Mashayekhi, Russell Fung, Ali Dashti, Reyhaneh Sepehr y el profesor Marius Schmidt de UWM; CH Yoon en SLAC; y Garth Williams en Brookhaven National Laboratory.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Wisconsin-Milwaukee . Original escrito por Laura Otto. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
Cite esta página :