Сотрудничество исследователей под руководством Университета Висконсин-Милуоки впервые создало трехмерный фильм, показывающий, как вирус готовится заразить здоровую клетку.
Исследование может коренным образом улучшить наше понимание того, как работают биологические процессы внутри клетки. Это могло бы привести к лучшему лечению целого ряда заболеваний человека, вызванных вирусами.
Это стало возможным благодаря физикам UWM, которые разработали новое поколение мощных алгоритмов для восстановления последовательных изображений из океана несортированных зашумленных данных.
Используя самое яркое и самое быстрое оборудование для визуализации - рентгеновский лазер на свободных электронах (XFEL) в Национальной ускорительной лаборатории SLAC в Калифорнии - международная группа исследователей собрала миллионы отдельных «моментальных снимков» вируса в неизвестной ориентации и состояния.
«В прошлом ученые пытались сделать вывод о том, что происходит в молекулярном биологическом процессе, глядя на неподвижное фото в начале и на неподвижное фото в конце процесса», - сказал Аббас Урмазд, UWM. Заслуженный профессор. «Но тогда вы не знаете, что происходит между ними. С помощью этого метода мы можем наблюдать, как биологические машины выполняют свои функции». Объединив концепции машинного обучения, дифференциальной геометрии, теории графов и физики дифракции, исследователи создали алгоритм, способный реконструировать последовательные изображения.
Работа, выполненная в сотрудничестве с профессором Брендой Хог, вирусологом из Аризонского государственного университета, и Эндрю Аквилой и его коллегами из Linac Coherent Light Source в SLAC, опубликована сегодня в журнале Nature Methods.
Чтобы размножаться, вирус вторгается в здоровую клетку, высвобождает свою ДНК и эффективно захватывает механизмы клетки для изготовления своих копий. Затем множество вирусных потомков выбрасывается для заражения других клеток.
Результаты исследователей показывают, что вирус перестраивает свой геномный контент и формирует трубчатую структуру, чтобы выгрузить свою ДНК в клетку.
«Эта работа предлагает новый подход к пониманию изменений, которые претерпевают вирусы во время заражения», - сказал Хог.
В дополнение к демонстрации того, как разворачиваются эти события, исследователи UWM обнаружили, что реорганизация генома вируса и формирование трубчатой структуры не являются независимыми событиями, а являются частью согласованного одновременного процесса.
Большинство вирусов слишком малы, чтобы их можно было сфотографировать при свете. Интенсивные рентгеновские вспышки XFEL создают «моментальные снимки» частиц в наномасштабе посредством дифракции. Рентгеновские лучи попадают на частицу и рассеиваются по схеме, которая обеспечивает данные для математической реконструкции.
Более пяти лет назад старший научный сотрудник UWM Ахмад Хоссейнизаде, первый автор статьи, начал работу над алгоритмом, необходимым для преобразования зашумленных снимков XFEL в неподвижные 3D-изображения. Оттуда прогресс был достигнут благодаря совместной работе с учеными из разных областей, сказал Питер Швандер, доцент UWM. «Люди не думали, что это возможно», - сказал Швандер.
«Мы разрабатываем алгоритмы для восстановления изображений в правильном порядке с 2009 года, поэтому команда UWM имела хорошие возможности для проведения такого анализа», - сказал он. «Но это было сложно. Мы смогли заставить это работать, наблюдая за тем, как проводятся эксперименты, и адаптируя науку о данных к данным».
Среди других соавторов статьи исследователи Джереми Копперман, Гонче Машайехи, Рассел Фунг, Али Дашти, Рейхане Сепер и профессор Мариус Шмидт из UWM; Ч Юн из SLAC; и Гарт Уильямс из Брукхейвенской национальной лаборатории.