Вирусы часто называют "невидимый враг". Они не видны невооруженным глазом или даже при использовании стандартного оптического микроскопа. Итак, как мы узнаем, что они существуют или как они выглядят??
Существуют биохимические методы, такие как те, которые используются для подтверждения инфекции COVID-19, которые ищут доказательства генетического материала вируса. Но есть также несколько различных методов, которые мы используем в лаборатории, чтобы "видеть" вирусы.
Чтобы понять эти методы, нам сначала нужно понять, насколько маленькие вирусы на самом деле. Большинство наших клеток имеют размер около 100 микрометров (0.1 миллиметр) в диаметре. Вирусы примерно в 1000 раз меньше этого, в среднем около 150 нанометров (0.00015 миллиметров).
Световая микроскопия
Стандартные световые микроскопы позволяют четко видеть наши клетки. Однако эти микроскопы ограничены самим светом, поскольку они не могут отображать ничего меньше, чем половина длины волны видимого света, а вирусы намного меньше этого.
Но мы можем использовать микроскопы, чтобы увидеть, какой вред вирусы наносят нашим клеткам. Мы называем это "цитопатический эффект", а сравнение инфицированных клеток с неинфицированными позволяет нам обнаружить наличие вирусов в образце.
Предварительная работа над SARS-CoV-2 (вирусом, вызывающим COVID-19) с помощью световой микроскопии показала, что вирус способен сливать инфицированные клетки вместе с образованием синцитии – больших клеток с множеством ядер – эффект, который ранее наблюдался в несколько других респираторных вирусов.
Иммунофлуоресценция
Непрямым способом визуализации вирусов является использование антител (очень похожих на те, которые вырабатываются вашим организмом в ответ на инфекцию), чтобы пометить вирусы флуоресцентными молекулами, которые излучают свет, когда поглощают определенные типы излучения. Мы даже можем пометить несколько вещей (например, вирусы и клеточные компоненты) разными цветами, чтобы мы могли отслеживать несколько объектов одновременно.
Затем мы можем обнаружить флуоресцентный свет от меток, чтобы увидеть, куда вирусы попадают внутри наших клеток и с какими клеточными структурами они взаимодействуют. Это позволяет нам исследовать такие вещи, как то, как лекарства влияют на репликацию вирусов или как разные штаммы вирусов ведут себя по-разному.
Микроскопия сверхвысокого разрешения
Недавние достижения в флуоресцентной микроскопии привели к развитию микроскопии сверхвысокого разрешения, которая сочетает в себе очень умную физику с вычислительными методами для получения четких изображений, которые выявляют высокодетализированные структуры в клетках.
Использование этого метода в вирусологии позволяет более точно определить участки инфицированной клетки. Например, он может точно показать, где внутри клетки расположены вирусы, и какие конкретные части вирусов клеточного оборудования используют для репликации.
Электронная микроскопия
Ни один из упомянутых до сих пор методов не позволяет напрямую визуализировать вирусные частицы. Вот где пригодится электронная микроскопия, поскольку она позволяет получать изображения в нанометровом масштабе. Он делает это, стреляя электронами в образец и наблюдая за тем, как они с ним взаимодействуют. Затем компьютер интерпретирует эту информацию для создания изображения.
Это позволяет нам визуально исследовать различные стадии вирусной инфекции внутри клеток. Электронную микроскопию также можно использовать для визуализации целых вирусных частиц, как показано на изображении выше. Из этих изображений мы можем формировать трехмерные структуры целых вирусных частиц путем компьютерной сборки изображений тысяч частиц, снятых в разных ориентациях, таких как этот пример трехмерной ЭМ визуализации SARS-CoV-2.
Электронная микроскопия использовалась для SARS-CoV-2, чтобы определить, как вирус использует свой внешний вид "шип" белок, чтобы взаимодействовать с нашими клетками и заражать их. Такие исследования действительно полезны для выяснения того, как вирус получает доступ к нашим клеткам, чтобы мы могли решить, как использовать лекарства, чтобы блокировать его.
Оценка структуры вирусных частиц также является отличным инструментом для определения того, какие антитела могут нейтрализовать вирус, что может помочь в производстве более точных и эффективных вакцин.
Кристаллография
Кристаллография позволяет нам рассматривать структуры еще более детально, на атомном уровне. Для этого вам понадобится действительно чистый образец вируса (без мусора), взвешенный в растворе. Жидкость суспензии испаряется, что вызывает кристаллизацию оставшихся твердых частиц (включая вирус). Они выравниваются равномерно, образуя кристаллы, которые затем можно подвергать рентгеновскому излучению.
Детектор регистрирует способ дифракции рентгеновских лучей (или "подпрыгивать") от кристаллизованного образца, указывая, где находятся электроны в структуре образца. Затем эту информацию можно использовать для построения трехмерной структуры образца в атомарном масштабе.
Как и электронная микроскопия, кристаллография может использоваться для определения структур вирусов, таких как спайковый белок SARS-CoV-2. Понимание этих структур, особенно того, как они взаимодействуют с нашими клетками и антителами, помогает при разработке вакцин и лекарств.