驚くべきジカウイルス画像がノーベル賞を受賞した手法でどのように作成されたか

Pretty Scientificは、科学で最高の画像がどのように作成されたのか、そしてその理由を探る新しいGizmodoシリーズです。

「形態は機能に従う」は、生物学で頻繁に繰り返される決まり文句です。何かがどのように見えるかを知っていれば、おそらくそれがどのように機能するかを理解できます。しかし、必然的に、最も複雑で畏敬の念を起こさせる形のいくつかは、想像できる最も悪魔的な機能のいくつかを引き受けます。これは、過去数年間に地球を恐怖に陥れたパンデミックジカウイルスの場合です。

2017年のノーベル化学賞は、特定の発見ではなく、低温電子顕微鏡法または低温電子顕微鏡法と呼ばれる技術を進歩させた3人の科学者に贈られました。正確な分子画像を作成するためにサンプルを凍結するこの方法は、生物学者の理解をほぼ原子レベルにまで革命させました。おそらくこの技術の力を最もよく要約しているのは、流行の最中にウイルスの詳細を理解できるように解像度を合わせて画像化されたジカウイルスです。

「この画像はジカウイルスに直面しているため、多くの人がこの画像を使用しています」と、ウイルスの構造を詳述した2016年の論文で共著者となったパデュー大学のポスドク研究員であるDevikaSirohi氏は述べています。「それは、クライオEMの拡大する可能性を強調する一種のポスターでした。」

ジカウイルスが蔓延し始め、小頭症との関連が確認されたとき、科学者たちは質問で溢れかえっていました。症状の原因となった構造はどうですか?デング熱やウエストナイル熱など、同じ家族の他のウイルスとどのように違いますか?複数のラボがウイルスの構造を公開するために迅速に取り組んだため、2016年1月から競争が始まりました。シロヒは、わずか3か月後に、パデュー大学のZhenguo Chen、Lei Sun Thomas Klose、Michael Rossmann、Richard Kuhn、NIHの 国立アレルギー感染症研究所のTheodorePiersonなどのチームとともに結果を発表しました。

単一の2次元クライオEM顕微鏡写真

科学者たちは長い間、X線結晶学と呼ばれる方法を使用してウイルスを画像化してきました。この方法では、X線がサンプルに照射され、その構造はX線の跳ね返りによってマッピングされます。ウイルスのより柔らかい構造は、その方法を最適とは言えません。代わりに、cryo-EMを使用すると、研究者は細胞を液体エタンでグリッド上にすばやく凍結します。これにより、構造がそれほど破壊されることはありません。次に、それらは電子、小さな亜原子粒子で細胞を攻撃し、検出器を使用してウイルスの多くの2次元投影を生成します。

難しさは細部にあります。Sirohiのチームは、十分なデータを取得するために約3,000枚の顕微鏡画像を撮影する必要があったため、高純度、高濃度のウイルスサンプルが必要でした。「私たちは24時間体制でデータの浄化、収集、処理を行い、ウイルスの浄化とデータの収集に戻ってきました」とSirohi氏は述べています。「それは多動性の凝縮された期間でした。」

一連の2D画像から3D画像を再構築するのは簡単な作業ではありません。十分な数の個別の画像が得られたら、Relionjsprを含むいくつかのコンピュータープログラムを使用してそれらを組み合わせ 、ビューを分析して構築し、多数の画像のデータを平均し、顕微鏡が追加した可能性のある遺物を修正します。単一の画像はそれぞれノイズが多く、サンプルを歪まないように電子は比較的軽く発射されます。

すべての2D画像は、空間内で回転した3Dジカウイルスの異なる方向に対応しています。プログラムは、「フーリエ変換」と呼ばれるものを使用して、これらの画像を抽象化された操作しやすい形状に数学的に変換します。これらの2D変換された画像の任意のペアは、共通の線を共有します。ボールから取ったスライス、垂直カットからのスライス、水平カットからのスライスについて考えてみてください。各スライスはディスクのように見え、2つのディスクは1本の線で交差します。ソフトウェアは、特定の事前の仮定に基づいてこれらの線を構築し、ウイルスの3D図に戻すことができます。この場合、構築には、ジカ熱が正二十面体対称である(言い換えれば、球形ウイルスにかなり典型的な形状である)という仮定が必要でした。

次に、実際に結果を理解します。これには、構造の分子成分である個々のタンパク質とそのアミノ酸を掘り下げるために、さらに多くの分析とCoot、Phenix、CNSなどの他のいくつかのプログラムが必要です。特定の構造、通常はタンパク質またはタンパク質のドメイン(ウイルスのカプセルまたは膜を形成するものなど)に異なる色が適用されます。

これらすべてが、ジカウイルスの複雑で立体的なカラフルな画像を作成し、コンポーネントがどのように組み合わされてカプセルを形成するかを示しています。

クライオEMは数十年前から存在していますが、構造がこれほど明確にリリースされたのは過去5年間だけです。これは、ハーバード大学の低温電子顕微鏡センターの構造生物学のクライオEMスペシャリストであるメリッサチェンバーズなどが「解像度革命」と呼んでいるものです。チャンバーは、強化された電子検出器、より優れた分析ソフトウェアとアルゴリズム、より優れた凍結グリッド、より正確なツールと方法など、多くの要因の組み合わせに革命をもたらします。ジカ紙は、クライオEMを使用して、生命の最小の断片の構造と機能を理解する、多くの新しい紙の1つです。

高解像度の画像も簡単に撮れるようになりました。チェンバース氏によると、このような画像を撮影するには、ツールを使用する専門家が必要になることがよくあります。新しい顕微鏡と設備は、よりアクセスしやすく、自動化されており、ユーザーフレンドリーです。「電子顕微鏡検査医になる代わりに...これは、これらすべてを自分で学ぶ時間がないかもしれないより多くの人々にそれを開きます。」

それ以来、シロヒと彼女のグループ、そして他の人々は、ジカウイルスを理解する上で重要な進歩を遂げました。具体的には、抗体がどのように結合して、体の免疫系が脅威を攻撃して中和できるかについてです。おそらく、抗体を使用して病気の治療に役立てることができます。

Cryo-EMは、私たちが人間として直面する問題を引き起こし、治療する最も重要な分子の構造を理解することを望んでいる生物学者にとって、引き続き重要なリソースです。しかし、ジカ熱のように脅迫的で差し迫った何かに取り組むことは、特にやりがいがあります。

「私はより良い研究室を求めることも、より良い状況にあることもできなかったでしょう」とシロヒは言いました。「それを十分に迅速に行い、差し迫った脅威である病原体を扱った経験を持つことは、非常にやりがいがありました。」

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