Учёные впервые создали 3D-фильм о действии вируса

Международная коллаборация под руководством Университета Висконсин-Милуоки впервые создала трёхмерный фильм, показывающий, как вирус готовится заразить здоровую клетку.

Это достижение может фундаментально улучшить понимание биологических процессов внутри клетки и привести к более эффективному лечению множества заболеваний, вызываемых вирусами.

Прорыв стал возможен благодаря физикам из UWM, разработавшим новое поколение мощных алгоритмов для реконструкции последовательных изображений из огромного массива неотсортированных и зашумлённых данных.

Используя самое яркое и быстрое оборудование для визуализации — рентгеновский лазер на свободных электронах (XFEL) в Национальной ускорительной лаборатории SLAC в Калифорнии, — команда собрала миллионы отдельных «снимков» вируса в неизвестных ориентациях и состояниях.

«Раньше учёные пытались понять, что происходит в биологическом процессе молекулярного масштаба, глядя на статичное фото в начале и в конце процесса. Но вы не знаете, что происходит между ними. С этим методом мы можем наблюдать, как биологические машины выполняют свои функции», — пояснил профессор Аббас Урмазд.

Комбинируя концепции машинного обучения, дифференциальной геометрии, теории графов и физики дифракции, исследователи создали алгоритм, способный реконструировать последовательные изображения.

Работа, выполненная в сотрудничестве с вирусологом профессором Брендой Хог из Университета штата Аризона и Эндрю Аквилой с коллегами из источника когерентного света Linac в SLAC, опубликована в журнале Nature Methods.

Чтобы размножиться, вирус вторгается в здоровую клетку, высвобождает свою ДНК и, по сути, захватывает клеточные механизмы для создания своих копий. Затем множество вирусного потомства высвобождается для заражения других клеток.

Результаты исследования показывают, как вирус перестраивает своё геномное содержимое и формирует трубчатую структуру для высвобождения своей ДНК в клетку.

«Эта работа предлагает новый подход к пониманию изменений, которым подвергаются вирусы во время заражения», — сказала Хог.

Помимо демонстрации того, как разворачиваются эти события, исследователи из UWM обнаружили, что реорганизация генома вируса и формирование трубчатой структуры — не независимые события, а часть единого одновременного процесса.

Большинство вирусов слишком малы, чтобы их можно было сфотографировать светом. Интенсивные рентгеновские вспышки XFEL создают «снимки» наночастиц через дифракцию. Рентгеновские лучи попадают в частицу и рассеиваются в виде паттерна, который предоставляет данные для математической реконструкции.

Более пяти лет назад старший исследователь UWM Ахмад Хоссейнизаде, первый автор статьи, начал работу над алгоритмом, необходимым для превращения зашумлённых снимков XFEL в статичные 3D-изображения. Дальнейший прогресс стал результатом совместной работы учёных из разных областей.

«Мы разрабатываем алгоритмы для реконструкции изображений в правильном порядке с 2009 года, поэтому команда UWM была хорошо подготовлена для проведения такого анализа. Но это было сложно. Нам удалось заставить это работать, наблюдая за тем, как проводятся эксперименты, и адаптируя науку о данных под сами данные», — отметил доцент Питер Швандер.