Struktur protein inti poxviral A10. Tiga subunit trimer (berwarna berbeda) direpresentasikan sebagai simulasi permukaan cryo-EM. Permukaan cryo-EM semakin terlihat pada setiap subunit. Kredit: © Jesse Hansen
Kemunculan kembali dan wabah Mpox baru-baru ini membuat poxvirus kembali menjadi ancaman kesehatan masyarakat, sehingga menggarisbawahi kesenjangan pengetahuan yang penting pada intinya. Kini, tim peneliti dari Institut Sains dan Teknologi Austria (ISTA) mengungkap misteri arsitektur inti poxviral dengan menggabungkan berbagai teknik mikroskop krio-elektron dengan pemodelan molekul. Temuannya, dipublikasikan di Biologi Struktural & Molekuler Alamdapat memfasilitasi penelitian di masa depan tentang terapi yang menargetkan inti poxvirus.
Cacar virusvirus pox yang paling terkenal dan salah satu virus paling mematikan yang pernah menyerang manusia, mendatangkan malapetaka dengan menyebabkan penyakit cacar hingga penyakit tersebut diberantas pada tahun 1980. Pemberantasan ini berhasil berkat kampanye vaksinasi ekstensif menggunakan virus pox lain, yang diberi nama virus Vaccinia. Kemunculan kembali dan wabah virus Mpox pada tahun 2022-2023 sekali lagi mengingatkan kita bahwa virus mencari cara untuk kembali menjadi ancaman kesehatan masyarakat. Yang penting, hal ini menyoroti pertanyaan mendasar tentang poxvirus yang masih belum terjawab hingga hari ini.
Salah satu pertanyaan mendasar tersebut, secara harafiah, merupakan inti dari permasalahan ini: “Kita tahu bahwa agar poxvirus dapat menular, inti virusnya harus terbentuk dengan baik. Tapi inti poxviral ini terbuat dari apa, dan bagaimana masing-masing komponennya bersatu dan berfungsi?” tanya Asisten Profesor ISTA Florian Schur, penulis studi tersebut.
Schur dan timnya kini menemukan mata rantai yang hilang: protein yang disebut A10. Menariknya, A10 umum terjadi pada semua poxvirus yang relevan secara klinis.
Selain itu, para peneliti menemukan bahwa A10 bertindak sebagai salah satu bahan penyusun utama inti poxviral. Pengetahuan ini dapat menjadi instrumen untuk penelitian masa depan mengenai terapi yang menargetkan inti poxviral.
Tomogram krio-elektron dari seluruh virus Vaccinia. Tampak samping virus dan intinya. Dinding inti bagian dalam berwarna merah muda dan DNA virus berwarna hijau. Kredit: © Julia Datler
“Teknik cryo-EM tercanggih yang tersedia saat ini”
Inti virus adalah salah satu faktor umum pada semua bentuk poxvirus yang menular. “Percobaan sebelumnya di bidang virologi, biokimia, dan genetika menyarankan beberapa kandidat protein inti untuk poxvirus, namun tidak ada struktur turunan eksperimental yang tersedia,” kata mahasiswa PhD ISTA, Julia Datler, salah satu penulis pertama penelitian ini.
Oleh karena itu, tim memulai dengan memprediksi secara komputasi model kandidat protein inti utama, menggunakan alat pemodelan molekuler berbasis AI yang sekarang terkenal, AlphaFold.
Secara paralel, Datler menetapkan fondasi biokimia dan struktural proyek dengan memanfaatkan latar belakangnya di bidang virologi dan keahlian utama kelompok Schur: mikroskop elektron kriogenik, atau disingkat cryo-EM.
Tomogram krio-elektron dari seluruh virus Vaccinia. Tampilan atas virus dan intinya. Dinding inti bagian dalam berwarna merah muda dan DNA virus berwarna hijau. Kredit: © Julia Datler
“Kami mengintegrasikan banyak teknik cryo-EM tercanggih yang tersedia saat ini dengan pemodelan molekul AlphaFold. Hal ini memberi kami, untuk pertama kalinya, gambaran keseluruhan yang mendetail tentang inti poxviral – ‘aman’ atau ‘bioreaktor’ di dalam virus yang membungkus genom virus dan melepaskannya ke dalam sel yang terinfeksi,” kata Schur.
“Ini adalah sebuah pertaruhan, namun kami akhirnya berhasil menemukan perpaduan teknik yang tepat untuk menguji pertanyaan kompleks ini,” kata Jesse Hansen, salah satu penulis studi yang memiliki keahlian dalam berbagai teknik biologi struktural dan metode pemrosesan gambar. penting untuk proyek tersebut.
Asisten Profesor ISTA Florian Schur (kiri) dan rekan penulis pertama Julia Datler dan Jesse Hansen. Kredit: © ISTA
Tampilan 3D global dari poxvirus
Para peneliti ISTA memeriksa virion dewasa virus Vaccinia “hidup” dan memurnikan inti poxviral dari setiap sudut yang memungkinkan – secara harfiah.
“Kami menggabungkan cryo-EM partikel tunggal ‘klasik’, cryo-electron tomography, rata-rata subtomogram, dan analisis AlphaFold untuk mendapatkan gambaran menyeluruh tentang inti poxviral,” kata Datler. Dengan tomografi krio-elektron, para peneliti dapat menyusun kembali volume 3D dari sampel biologis sebesar keseluruhan virus dengan memperoleh gambar sambil memiringkan sampel secara bertahap.
“Ini seperti melakukan CT scan terhadap virus,” kata Hansen. “Cryo-electron tomography, ‘keistimewaan’ laboratorium kami, memungkinkan kami memperoleh resolusi tingkat nanometer dari keseluruhan virus, inti, dan bagian dalamnya,” kata Schur.
Selain itu, para peneliti dapat menyesuaikan model AlphaFold ke dalam bentuk yang diamati seperti teka-teki dan mengidentifikasi molekul yang membentuk inti poxviral. Diantaranya, kandidat protein inti A10 menonjol sebagai salah satu komponen utama. “Kami menemukan bahwa A10 mendefinisikan elemen struktural utama dari inti virus pox,” kata Datler.
Schur menambahkan, “Temuan ini merupakan sumber yang bagus untuk menafsirkan data struktural dan virologi yang dihasilkan selama beberapa dekade terakhir.”
Penulis penelitian di ISTA. Dari kiri ke kanan: Florian Schur, Victor-Valentin Hodirnau, Lukas Bauer, Julia Datler, Jesse Hansen, Andreas Thader, Alois Schlögl. Kredit: © ISTA
Jalan terjal untuk mengungkap inti poxviral
Jalan menuju temuan ini sangatlah mudah. “Kami perlu menemukan jalan kami sendiri sejak awal,” kata Datler.
Memanfaatkan keahliannya di bidang biokimia, virologi, dan biologi struktural, Datler mengisolasi, memperbanyak, dan memurnikan sampel virus Vaccinia serta menetapkan protokol untuk memurnikan inti virus secara lengkap, sambil mengoptimalkan sampel ini untuk studi struktural. “Secara struktural, sangat sulit untuk mempelajari inti virus ini. Namun untungnya, ketekunan dan optimisme kami membuahkan hasil,” kata Hansen.
Para peneliti ISTA yakin bahwa temuan mereka dapat memberikan platform pengetahuan untuk terapi masa depan yang berupaya menargetkan inti poxviral.
“Misalnya, seseorang dapat memikirkan obat-obatan yang mencegah pembentukan inti – atau bahkan membongkar dan melepaskan virus. DNA selama infeksi. Pada akhirnya, penelitian virus yang mendasar, seperti yang dilakukan di sini, memungkinkan kita untuk lebih siap menghadapi kemungkinan wabah virus di masa depan,” Schur menyimpulkan.
Referensi: “Multi-modal cryo-EM mengungkap trimer protein A10 untuk membentuk lapisan palisade dalam inti poxvirus” 5 Februari 2024, Biologi Struktural & Molekuler Alam.
DOI: 10.1038/s41594-023-01201-6
Semua penulis karya ini berafiliasi dengan Institut Sains dan Teknologi Austria (ISTA). Karya ini merupakan kolaborasi antara anggota kelompok Schur (Julia Datler, Jesse M. Hansen, Andreas Thader, Lukas W. Bauer, Florian KM Schur), Unit Komputasi Ilmiah (Alois Schlögl), dan Fasilitas Mikroskop Elektron (Victor- Valentin Hodirnau).
