Láser, investigadores de biociencias combinan esfuerzos para estudiar virus en gotitas
Esta ilustración muestra la configuración planificada para experimentos de gotitas de virus basados en láser en Berkeley Labs BELLA Center. Un pulso láser (izquierda, rojo) crea un plasma (azul claro) que acelera los electrones (azul oscuro). Los electrones acelerados producen rayos X (amarillos) que se utilizan para obtener imágenes de gotas que contienen virus (esferas azules en el centro). Un láser secundario (derecha, rojo) también golpea las gotitas para capturar mediciones de espectrometría de masas de fragmentos de virus (verde). Crédito: Tobias Ostermayr, Centro BELLA
Los expertos en láser y biología del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) están trabajando juntos para desarrollar una plataforma y experimentos para estudiar la estructura y los componentes de virus como el que causa el COVID-19, y para Aprenda cómo los virus interactúan con el entorno que los rodea. Los experimentos podrían proporcionar nuevos conocimientos sobre cómo reducir la infecciosidad de los virus.
La nueva plataforma se basará en los esfuerzos de I+D líderes en el mundo de Berkeley Lab en aceleración de plasma basada en láser, en la que un pulso de láser crea un estado exótico y supercaliente de la materia conocido como plasma que, a su vez, acelera rápidamente partículas cargadas, electrones e iones. Los científicos de Berkeley Lab batieron el año pasado su propio récord mundial en la aceleración de electrones a altas energías en un lapso de 20 centímetros.
En la nueva configuración, los electrones acelerados generarán rayos X que actuarán como luces estroboscópicas microscópicas para capturar imágenes de gotitas cargadas de virus que caen en el camino de los rayos X. Al mismo tiempo, sincronizado en milbillonésimas de segundo, un segundo rayo láser incidirá en las gotitas para capturar otra capa de datos sobre las partículas del virus y su composición, y sobre otra materia en las gotitas.
» La idea es aprender sobre el virus y lo que lo rodea”, dijo Thomas Schenkel, director interino de la División de Tecnología de Aceleradores y Física Aplicada en Berkeley Lab, quien es parte del equipo que planifica los experimentos. «¿Cómo se comporta dentro de una gota y qué se une a ella? ¿Cuánto tiempo es viable el virus en una gota?»
El objetivo es estudiar el virus en ciertos biofluidos, como la saliva, y cómo reacciona. a los compuestos mezclados en las gotitas. Los expertos en biociencias de Berkeley Lab prepararán las muestras y participarán en los análisis de datos.
En este estudio piloto, los investigadores utilizarán virus sustitutos que tienen propiedades similares al virus SARS-CoV-2 que causa el COVID-19 pero son seguras para que los trabajadores de laboratorio trabajen con ellas.
«Estas gotitas no son solo minisacos de agua, sino una mezcla compleja de proteínas y sal que afecta la estabilidad viral», dijo Antoine Snijders, científico del personal y presidente del departamento de Bioingeniería y Ciencias Biomédicas en la División de Ingeniería y Sistemas Biológicos de Berkeley Lab.
Las gotas están destinadas a simular el entorno del sistema respiratorio del cuerpo.
«Lo que es emocionante sobre este estudio es que conducirá a una mejor comprensión de las características químicas de las gotas respiratorias y el virus que contienen», agregó Snijders. «Una vez que entendamos las características químicas y el mecanismo de inactivación viral dentro de estas gotitas, podremos reducir la eficiencia de la transmisión de enfermedades por el aire».
El esfuerzo cuenta con el apoyo de Investigación y Desarrollo Dirigido por el Laboratorio de Berkeley Lab. (LDRD), a través del cual el laboratorio dirige la financiación a áreas específicas de investigación. Berkeley Lab, al igual que los otros laboratorios nacionales del Departamento de Energía de EE. UU., está dando prioridad a la investigación de la COVID-19.
Los experimentos combinarán dos técnicas: imágenes de rayos X para obtener información estructural y espectrometría de masas para conocer los detalles. sobre la composición química de las muestras hasta el nivel de proteínas y moléculas individuales.
El láser secundario en los experimentos proporcionará la información espectroscópica cargando y separando la materia en las muestras. Esos fragmentos y partes, como los componentes proteicos individuales de un virus, pueden medirse y analizarse químicamente mediante un detector.
Concebiblemente, la configuración podría usarse o modelarse como una plataforma de prueba para la enfermedad del coronavirus. Schenkel señaló que con las capacidades existentes en el Centro del Acelerador Láser del Laboratorio de Berkeley (BELLA), es posible obtener imágenes y medir alrededor de cinco gotas cada segundo. Una mejora propuesta del Centro BELLA, llamada kBELLA, podría aumentar esa tasa hasta 1000 gotas por segundo.
Eric Esarey, director del Centro BELLA, dijo que el objetivo final en el desarrollo de técnicas de aceleración de plasma láser es reducir el tamaño y costo de los aceleradores de partículas que podrían servir en una variedad de capacidades para las comunidades médica, industrial y de investigación.
«En principio, este podría ser un dispositivo compacto, potente y de bajo costo que podría colocarse en muchos laboratorios y muchos hospitales», dijo.
Nuevos tipos de fuentes de rayos X basadas en aceleradores de plasma láser se encuentran en investigación activa en el Centro BELLA y continúan mejorándose. Estas mejoras son necesarias para proporcionar imágenes de alta resolución de virus muy pequeños en su entorno.
Si bien el Centro BELLA ahora está fuera de línea debido a las órdenes de refugio en el lugar, Schenkel dijo que la planificación ha comenzado para el nuevo configuración experimental, con el objetivo de los primeros experimentos a finales de este verano. Está en curso una colaboración con biólogos en el Centro BELLA, y ya hay equipos de espectroscopia de masas que se pueden adaptar para los nuevos experimentos.
Schenkel agregó que los investigadores pueden proceder con la modificación de un código de computadora desarrollado por Berkeley Lab que modela los rayos láser y de electrones para optimizarlos para la nueva investigación.
«Estamos entusiasmados de usar nuestras herramientas para avanzar en nuestra comprensión de COVID y contribuir a la prevención de futuras pandemias», dijo Schenkel.
«Hay muchas técnicas analíticas que se originaron a partir de la investigación con trituradores de átomos y haces de partículas hace años y que desde entonces se han convertido en herramientas de trabajo en la ciencia biomédica». Schenkel agregó: «Cuando discutimos esta nueva idea, hubo un fuerte sentido de urgencia y entusiasmo. Este proyecto es un ejemplo en el que podemos adaptar de inmediato nuestras capacidades en respuesta a la crisis actual y avanzar en nuestro arsenal para la prevención de futuras pandemias. Queremos mostrar que esto funciona para que podamos establecerlo como una nueva capacidad para la comunidad».
Explore más
Aceleración récord mundial: cero a 7800 millones de electronvoltios en 8 pulgadas Proporcionado por el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley Cita: Investigadores de biociencias y láser combinan esfuerzos para estudiar virus en gotitas (2020 , 29 de mayo) recuperado el 31 de agosto de 2022 de https://medicalxpress.com/news/2020-05-laser-biosciences-combine-efforts-viruses.html Este documento está sujeto a derechos de autor. Aparte de cualquier trato justo con fines de estudio o investigación privados, ninguna parte puede reproducirse sin el permiso por escrito. El contenido se proporciona únicamente con fines informativos.