![Viraal RNA, gelabeld met een fluorescerende kleurstof, clustert zich rond de kern van een cel die is geïnfecteerd met SARS-CoV-2, zoals vastgelegd door middel van superresolutiemicroscopie. Krediet: Natuurcommunicatie (2024). DOI: 10.1038/s41467-024-48991-x Een nieuwe manier om virussen in actie te zien](https://scx1.b-cdn.net/csz/news/800a/2024/a-new-way-to-see-virus.jpg)
Viraal RNA, gelabeld met een fluorescerende kleurstof, clustert zich rond de kern van een cel die is geïnfecteerd met SARS-CoV-2, zoals vastgelegd door middel van superresolutiemicroscopie. Credit: Natuurcommunicatie (2024). DOI: 10.1038/s41467-024-48991-x
Een nieuwe kijk op nanoschaal naar hoe het SARS-CoV-2-virus zich in cellen repliceert, kan een grotere precisie bieden bij de ontwikkeling van geneesmiddelen, zegt een team van Stanford University rapporten in Natuurcommunicatie. Met behulp van geavanceerde microscopietechnieken produceerden de onderzoekers misschien wel de meest scherpe beelden die beschikbaar zijn van het RNA en de replicatiestructuren van het virus, waarvan ze getuige waren in bolvormige vormen rond de kern van de geïnfecteerde cel.
“We hebben nog niet eerder gezien dat COVID cellen met deze hoge resolutie infecteerde en wisten niet eerder waar we naar keken”, zegt Stanley Qi, Stanford universitair hoofddocent bio-engineering aan de Schools of Engineering and of Medicine en co-senior auteur van het artikel. “In staat zijn om met deze hoge resolutie in de loop van de tijd te weten waar je naar kijkt, is van fundamenteel belang voor de virologie en toekomstig virusonderzoek, inclusief de ontwikkeling van antivirale geneesmiddelen.”
Knipperend RNA
Het werk belicht details op moleculaire schaal van de activiteit van het virus in gastheercellen. Om zich te kunnen verspreiden, nemen virussen feitelijk cellen over en transformeren ze in virusproducerende fabrieken, compleet met speciale replicatieorganellen. Binnen deze fabriek moet het virale RNA zichzelf keer op keer dupliceren totdat er voldoende genetisch materiaal is verzameld om naar buiten te gaan en nieuwe cellen te infecteren en het proces opnieuw te starten.
De Stanford-wetenschappers probeerden deze replicatiestap tot in de scherpste details tot nu toe te onthullen. Om dit te doen, labelden ze eerst het virale RNA en de replicatie-geassocieerde eiwitten met fluorescerende moleculen van verschillende kleuren. Maar alleen het afbeelden van gloeiend RNA zou resulteren in vage klodders in een conventionele microscoop. Daarom voegden ze een chemische stof toe die de fluorescentie tijdelijk onderdrukt. De moleculen knipperden dan op willekeurige tijdstippen weer aan, en slechts een paar lichtten tegelijk op. Dat maakte het gemakkelijker om de flitsen te lokaliseren, waardoor de locaties van de individuele moleculen zichtbaar werden.
Met behulp van een opstelling met lasers, krachtige microscopen en een camera die elke 10 milliseconden foto’s maakt, verzamelden de onderzoekers momentopnamen van de knipperende moleculen. Toen ze sets van deze afbeeldingen combineerden, konden ze fijn gedetailleerde foto’s maken die het virale RNA en de replicatiestructuren in de cellen lieten zien.
“We hebben zeer gevoelige en specifieke methoden en ook een hoge resolutie”, zegt Leonid Andronov, co-hoofdauteur en postdoctoraal scheikundige aan Stanford. “Je kunt één viraal molecuul in de cel zien.”
De resulterende beelden, met een resolutie van 10 nanometer, onthullen misschien wel het meest gedetailleerde beeld tot nu toe van hoe het virus zichzelf in een cel repliceert. De afbeeldingen laten magenta RNA zien dat klontjes vormt rond de kern van de cel, die zich ophopen in een groot herhalend patroon. “Wij zijn de eersten die ontdekken dat viraal genomisch RNA verschillende bolvormige structuren vormt met een hoge resolutie”, zegt Mengting Han, co-hoofdauteur en postdoctoraal onderzoeker op het gebied van bio-engineering aan Stanford.
De clusters laten zien hoe het virus de verdediging van de cel ontwijkt, zegt WE Moerner, co-senior auteur van het artikel en Harry S. Mosher hoogleraar scheikunde aan de School of Humanities and Sciences. “Ze worden verzameld in een membraan dat ze van de rest van de cel scheidt, zodat ze niet door de rest van de cel worden aangevallen.”
Drugstesten op nanoschaal
Vergeleken met het gebruik van een elektronenmicroscoop kan de nieuwe beeldvormingstechniek onderzoekers in staat stellen met grotere zekerheid te weten waar viruscomponenten zich in een cel bevinden dankzij de knipperende fluorescerende labels. Het kan ook details op nanoschaal verschaffen van celprocessen die onzichtbaar zijn in medisch onderzoek dat wordt uitgevoerd door middel van biochemische tests.
De conventionele technieken “zijn compleet anders dan deze ruimtelijke opnames van waar de objecten zich daadwerkelijk in de cel bevinden, tot aan deze veel hogere resolutie”, aldus Moerner. “We hebben een voordeel op basis van de fluorescerende etikettering omdat we weten waar ons licht vandaan komt.”
Precies zien hoe het virus zijn infectie in scène zet, is veelbelovend voor de geneeskunde. Door te observeren hoe verschillende virussen cellen overnemen, kunnen vragen worden beantwoord zoals waarom sommige ziekteverwekkers milde symptomen veroorzaken, terwijl andere levensbedreigend zijn. De superresolutiemicroscopie kan ook de ontwikkeling van geneesmiddelen ten goede komen. “Deze structuur op nanoschaal van de replicatieorganellen kan voor ons een aantal nieuwe therapeutische doelen opleveren”, zegt Han. “We kunnen deze methode gebruiken om verschillende medicijnen te screenen en de invloed ervan op de structuur op nanoschaal te zien.”
Dat is het team inderdaad van plan. Ze zullen het experiment herhalen en zien hoe de virale structuren veranderen in de aanwezigheid van medicijnen als Paxlovid of remdesivir. Als een kandidaat-medicijn de virale replicatiestap kan onderdrukken, suggereert dit dat het medicijn effectief is in het remmen van de ziekteverwekker en het voor de gastheer gemakkelijker maakt om de infectie te bestrijden.
De onderzoekers zijn ook van plan om alle 29 eiwitten waaruit SARS-CoV-2 bestaat in kaart te brengen en te kijken wat die eiwitten doen tijdens een infectie. “We hopen dat we bereid zullen zijn deze methoden echt te gebruiken voor de volgende uitdaging om snel te zien wat er binnenin gebeurt en het beter te begrijpen”, aldus Qi.
Meer informatie:
Leonid Andronov et al, Cellulaire organisatie op nanoschaal van viraal RNA en eiwitten in SARS-CoV-2-replicatieorganellen, Natuurcommunicatie (2024). DOI: 10.1038/s41467-024-48991-x
Tijdschriftinformatie:
Natuurcommunicatie
Geleverd door Stanford Universiteit