Viren sind klein. Wirklich klein. Einige sind 1000-mal winziger als der Durchmesser eines menschlichen Haares. Sobald sie angegriffen und an eine Zelle gebunden haben, neigen sie dazu, sich langsam zu bewegen, was es ermöglicht, sie unter einem Elektronenmikroskop zu sehen. Aber davor sind sie, wenn sie alle für sich sind, nur kleine Brocken genetischen Materials in einem Proteinmantel, die in unvorhersehbaren Mustern zappeln, was es fast unmöglich macht, sie aufzuspüren. Dies ist seit langem ein Problem für Virologen, die Viren verfolgen möchten, um ihr Verhalten besser zu verstehen.
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Jetzt haben Forscher der Duke University einen Weg gefunden, um genau das zu erreichen: Beobachten Sie, wie sich nicht gebundene Viren in Echtzeit fortbewegen. Diese „Virus-Kamera“ könnte Aufschluss darüber geben, wie Viren in Zellen eindringen und möglicherweise neue Wege zur Verhinderung von Infektionen aufzeigen.
"Wir versuchen herauszufinden, wie sich Viren verhalten, bevor sie mit Zellen oder Gewebe interagieren, damit wir möglicherweise neue Wege finden können, um den Infektionsprozess zu unterbrechen", sagt Kevin Welsher, der Chemiker, der die Forschung leitet. Die Ergebnisse wurden kürzlich in der Fachzeitschrift Optics Letters veröffentlicht .
Ein Video der Virus-Kamera zeigt den Pfad eines Lentivirus, der zu einer Gruppe von Viren gehört, die beim Menschen tödliche Krankheiten verursachen, wenn er sich durch eine Salzwasserlösung bewegt und sich in einem Bereich bewegt, der kaum breiter als ein menschliches Haar ist. Die Farbänderungen im Video stellen den Zeitverlauf dar - Blau am Anfang und Rot am Ende.
Dieses Bild zeigt den 3D-Pfad eines einzelnen Lentivirus, der sich durch eine Salzwasserlösung bewegt. Die Farben repräsentieren die Zeit (Blau ist am frühesten, Rot ist am spätesten). (Duke University) Das Verhalten von nicht angehängten Viren ist "eine Art unerforschtes Gebiet", sagt Welsher. Er mag es, wenn er versucht, ein nicht anhaftendes Virus in Aktion zu beobachten, um eine Verfolgungsjagd mit einem Satelliten zu verfolgen.
"Ihr Virus ist ein kleines Auto, und Sie nehmen Satellitenbilder auf und aktualisieren sie so schnell wie möglich", sagt er. "Aber Sie wissen nicht, was dazwischen passiert, weil Sie durch Ihre Bildwiederholfrequenz begrenzt sind."
Die Virus-Kamera ist eher wie ein Hubschrauber, sagt er. Es kann sich tatsächlich an die Position des Virus halten und es kontinuierlich beobachten. Die Kamera wurde vom Postdoc-Forscher Shangguo Hou von Duke gebaut, der ein Mikroskop so manipulierte, dass es den Virus mithilfe eines Lasers nachverfolgte, damit er von der Plattform des Mikroskops im Blickfeld gehalten werden kann, die darauf ausgelegt ist, sehr schnell auf das optische Feedback des Lasers zu reagieren.
Die Virus-Kamera ist aufregend, weil sie die Position des Virus festhalten kann, sagt Welsher, aber im Moment ist das alles, was sie tut. In Anlehnung an die Verfolgungsjagd vergleicht er die Viruskamera mit einem Hubschrauber, der einem Auto folgt, aber nichts von seiner Umgebung sieht - die Straße, Gebäude, andere Autos. Der nächste Schritt besteht darin, nicht nur die Position des Virus zu verfolgen, sondern auch zu versuchen, seine Umgebung zu verstehen. Welsher und sein Team möchten die Virus-Kamera in die 3D-Bildgebung von Zelloberflächen integrieren, um zu sehen, wie Viren mit Zellen interagieren, bevor sie versuchen, in diese einzudringen.
Es ist nicht das erste Mal, dass Forscher einzelne Teilchen in Echtzeit auffangen. Vor drei Jahren entwickelte Welsher in Princeton eine Methode, um ein virusähnliches fluoreszierendes Kügelchen aus Kunststoffnanopartikeln aufzuspüren, das sich in eine Zellmembran bewegt.
Viren sind schwieriger aufzuspüren als Perlen, da Viren im Gegensatz zu Perlen von sich aus kein Licht abgeben. Das Markieren von Viren mit fluoreszierenden Partikeln erleichtert das Erkennen der Viren, aber diese Partikel sind so viel größer als die Viren selbst, dass sie laut Welsher wahrscheinlich die Art und Weise beeinflussen, in der sich die Viren bewegen und Zellen infizieren. Das neue Mikroskop kann aufgrund der optischen Rückkopplung durch den Laser das sehr schwache Licht erkennen, das von winzigen fluoreszierenden Proteinen abgegeben wird, die viel kleiner als das Virus sind. Also haben Welsher und sein Team ein gelb fluoreszierendes Protein in das Genom des Virus eingefügt, damit es verfolgt werden kann, ohne die Art und Weise zu verändern, in der es sich bewegt.
Wissenschaftler haben sich auch andere Möglichkeiten ausgedacht, um sehr kleine Dinge zu verfolgen. Ein Team verwendete Algorithmen, um Viren zu verfolgen, und trainierte ihre Mikroskope, wo die Algorithmen die Viren vorhersagten. In den letzten Jahren haben britische Forscher auch ein unglaublich empfindliches optisches Mikroskop entwickelt, mit dem Strukturen mit einem Durchmesser von nur 50 Nanometern und eine geringe Anzahl von Viren erkannt werden können. Dadurch können sie Viren in lebenden Zellen beobachten, während Elektronenmikroskope nur für tote, speziell präparierte Zellen verwendet werden können.
Sobald Chemiker mehr darüber wissen, wie Viren mit Zellen interagieren, können sich Virologen und Molekularbiologen darauf einlassen, wie ihr Verhalten manipuliert werden kann, und sie möglicherweise stoppen, bevor sie eine gesunde Zelle infizieren.
"Das ideale Szenario ist, dass wir Erkenntnisse entdecken, die umsetzbar sind", sagt Welsher.
