Wie durchschauen Wissenschaftler die wahre Identität des Virus? Extreme Speed ​​Electronics verleiht dem Menschen „weise Augen“!

Viele Krankheiten, wie zum Beispiel die Grippe, werden durch Viren verursacht, die den menschlichen Körper infizieren. Um diese Krankheiten besser bekämpfen zu können, müssen wir die Viren verstehen, die die Krankheiten verursachen.

Die Frage ist also: Das Virus ist zu klein, um gesehen oder berührt zu werden, und es könnte Forscher infizieren. Was können wir also tun, um das Virus sicher und bequem zu untersuchen? Hierzu haben sich Forscher viele gute Ideen einfallen lassen. Lassen Sie uns im Folgenden kurz darüber sprechen.

Um die wahre Form des Virus zu sehen, braucht man Strom

Wir hören Geräusche aufgrund von Schallwellen und sehen Objekte aufgrund von Lichtwellen. Das einzige Licht, das das menschliche Auge wahrnehmen kann, ist das sogenannte sichtbare Licht und seine Wellenlänge liegt im Allgemeinen zwischen 400 und 760 Nanometern. Daher kann auf Grundlage dieser Daten berechnet werden, dass die Auflösung eines optischen Mikroskops, egal wie präzise es ist, 200 Nanometer nicht überschreiten kann. Es kann das Auftreten von Bakterien erkennen, aber keine Spuren von Viren erfassen.

Das Linsenprinzip des optischen Mikroskops basiert auf dem Welle-Teilchen-Dualitätsprinzip des Lichts. Im Jahr 1905 schlug Einstein vor, dass Licht die dualen Eigenschaften einer Welle und eines Teilchens besitzt. Im Jahr 1924 schlug de Broglie das Konzept der „Materiewelle“ vor. Er ging davon aus, dass alle Materie die duale Natur von Welle und Teilchen besitzt und dass Elektronen auch Wellenphänomene wie Interferenz und Beugung aufweisen, was später durch Elektronenbeugungsexperimente bestätigt wurde.

Kurz gesagt: Elektronen können, was Licht kann. Aber können Elektronen das, was Licht nicht kann? Elektronen sind winzige Teilchen mit negativer Ladung außerhalb des Atomkerns. Diese „elektrische“ Aura ermöglicht es Menschen, elektromagnetische Felder zur Beschleunigung von Elektronen zu nutzen. Die Wellenlänge der Hochgeschwindigkeitselektronen wird erheblich verkürzt, ähnlich wie beim Prinzip der Lichtfokussierung in einem optischen Mikroskop, wobei der Hochgeschwindigkeitselektronenstrahl fokussiert wird, wodurch die Auflösung verbessert wird.

Modelldiagramm eines Elektronenmikroskops. Buch: Influenzavirus: Ein unausweichlicher Feind

1931 entwickelten Erst Ruska und Max Knoll das erste perspektivische Elektronenmikroskop; 1934 wurde die Auflösung auf 50 Nanometer verbessert; 1939 erreichte die Auflösung des hochauflösenden Elektronenmikroskops 3 Nanometer; 1978 konnte die Auflösung des Rastertunnelmikroskops 0,01 Nanometer erreichen, und die minimale Auflösungsdistanz zwischen zwei Punkten betrug 1/10 des Atomdurchmessers, und die Elektronen kehrten zu den Atomen zurück.

Durch die Entwicklung hochauflösender Mikroskopietechnologie ist es dem Menschen gelungen, nicht nur Viren, sondern auch virale Proteine ​​und Nukleinsäuren zu erkennen und alles von außen bis innen zu überblicken. Die extrem schnellen Elektronen haben den Menschen mit „Weisheitsaugen“ ausgestattet und damit das Problem der „Form“ auf der mikroskopischen Ebene des Lebens gelöst.

Wie erhält man virale genetische Informationen?

Wenn Menschen im Bereich der Biowissenschaften forschen möchten, reicht es bei weitem nicht aus, nur zu „sehen“. Um ein tieferes Verständnis für das Wesen des Lebens zu erlangen, ist die Nutzung genetischer Informationen als Durchbruch eine gute Wahl. Ein neues Problem ist aufgetreten. Wenn wir Nukleinsäuren aus Zellen oder Viren gewinnen möchten, müssen wir immer noch die Bandagenwaschextraktionsmethode verwenden, die die Kultivierung und den Verbrauch einer großen Menge biologischen Materials erfordert. Gibt es eine Möglichkeit, die erforderlichen Ziel-DNA-Fragmente direkt zu replizieren und zu amplifizieren und direkt auf molekularer Ebene zu arbeiten?

Der Wechsel von „groß“ zu „klein“ ist einfach, der Wechsel von „wenig“ zu „mehr“ jedoch schwierig. Wenn wir sie entsprechend den chemischen Eigenschaften von A, T, G und C einzeln synthetisieren und verknüpfen, wäre dies ein kostspieliges, zeitaufwändiges und arbeitsintensives Projekt. Die semikonservative Replikation der DNA ist ein wichtiger Weg der biologischen Evolution und Übertragung. Doppelsträngige DNA kann unter der Einwirkung verschiedener Enzyme denaturiert und in Einzelstränge aufgewickelt werden. Unter Beteiligung der DNA-Polymerase erfolgt die Replikation in zwei identische Molekülkopien nach dem Prinzip der komplementären Basenpaarung.

DNA-Codon-Buch „Das Influenzavirus ist ein unausweichlicher Feind“

Darauf basierend wird die Doppelhelixstruktur der DNA geöffnet, um zwei komplementäre einzelsträngige DNAs zu bilden. Unter der Einwirkung einer bestimmten Nukleinsäurepolymerase dient die abgewickelte einzelsträngige DNA als Vorlage und es werden gemäß den Prinzipien der vier Arten der Basenpaarung neue komplementäre DNA-Einzelstränge synthetisiert. Diese Reaktion wird mit einer logarithmischen Rate wiederholt, wodurch letztendlich ein automatisiertes Montagesystem vom Typ „Fließband“ realisiert wird. Das Grundprinzip lautet: Polymerase-Kettenreaktion (PCR).

So wie man im riesigen Ozean der Basen den Leitfaden und das Leuchtfeuer des Codes des Lebens entdeckte, hat die PCR-Technologie einen Kanal für die Erfassung und Anwendung von Nukleinsäuremolekülen geöffnet.

Sicherheit ist bei der Erforschung von Krankheitserregern unerlässlich

Als pathogene Mikroorganismen werden Mikroorganismen bezeichnet, die in den menschlichen Körper eindringen und dort Infektionen oder sogar Infektionskrankheiten hervorrufen können, auch Pathogene genannt. Unter den Krankheitserregern sind Bakterien und Viren die schädlichsten. Krankheitserreger wachsen und vermehren sich im Wirt, setzen giftige Substanzen frei und verursachen im Körper krankhafte Veränderungen unterschiedlichen Ausmaßes. Dieser Vorgang wird als Infektion bezeichnet und kann in schweren Fällen sogar zum Tod des Körpers führen.

Der Mensch kann Viren anhand genetischer Informationen oder anhand der Struktur und Funktion von Proteinen untersuchen, doch egal, wie sich die Dinge ändern, muss er immer noch lebende Viren untersuchen, und das ist ein gefährliches Unterfangen. In den 1940er Jahren begannen die Menschen auf der ganzen Welt, auf das Problem der Laborinfektionen aufmerksam zu werden. In den 1980er Jahren unterteilte die Weltgesundheitsorganisation (WHO) die Biosicherheitslabore der Welt in vier Stufen.

Die Klassifizierungskriterien meines Landes für den Grad der Schädigung durch pathogene Mikroorganismen verringern sich schrittweise von Stufe eins auf Stufe vier (während die Klassifizierungskriterien für den Grad der Schädigung durch pathogene Mikroorganismen bei der Weltgesundheitsorganisation und anderen Ländern schrittweise von Stufe eins auf Stufe vier ansteigen):

Als pathogene Mikroorganismen der Kategorie I gelten Mikroorganismen, die bei Menschen oder Tieren sehr schwere Krankheiten verursachen können, sowie Mikroorganismen, die in meinem Land noch nicht entdeckt oder für ausgerottet erklärt wurden.

Die zweite Kategorie pathogener Mikroorganismen bezieht sich auf Mikroorganismen, die bei Menschen oder Tieren schwere Krankheiten verursachen können und leichter direkt oder indirekt zwischen Menschen, Tieren oder Tieren übertragen werden.

Als pathogene Mikroorganismen der Kategorie III gelten Mikroorganismen, die bei Menschen oder Tieren Krankheiten hervorrufen können, im Allgemeinen jedoch keine ernsthafte Bedrohung für Mensch, Tier oder Umwelt darstellen, ein begrenztes Übertragungsrisiko aufweisen, nach einer Infektion im Labor selten schwere Krankheiten verursachen und für die wirksame Behandlungs- und Präventionsmaßnahmen bestehen.

Als pathogene Mikroorganismen der Kategorie IV gelten Mikroorganismen, die normalerweise keine Krankheiten bei Menschen oder Tieren verursachen.

Schematische Darstellung des Aufbaus des Labors P4. Quelle: Buch „Influenzavirus: Ein unausweichlicher Feind“

Ein Biosicherheitslabor ist ein biologisches Labor oder Tierlabor, das die Anforderungen an die Biosicherheit erfüllt, indem es die Gefahren schädlicher biologischer Faktoren durch Schutzbarrieren und Managementmaßnahmen vermeidet oder kontrolliert. Die biologische Sicherheitsstufe im Labor (Biosafety Level, BSL; oder Protection, P) ist in Stufe eins, Stufe zwei, Stufe drei und Stufe vier unterteilt. Stufe eins ist die niedrigste Schutzstufe und Stufe vier die höchste Schutzstufe. Dies steht im Einklang mit der internationalen Klassifikation pathogener Mikroorganismen und ist das genaue Gegenteil der Klassifikation pathogener Mikroorganismen in meinem Land.

Labor der Biosicherheitsstufe 1 (P1): Geeignet für den Betrieb von Mikroorganismen, die normalerweise keine Krankheiten bei Mensch oder Tier verursachen, d. h. Mikroorganismen mit der von der Weltgesundheitsorganisation definierten Gefahrenstufe 1 (vier Arten pathogener Mikroorganismen, wie z. B. Masernvirus, Mumpsvirus usw.).

Labore mit der Biosicherheitsstufe 2 (P2): eignen sich für den Umgang mit Mikroorganismen, die Krankheiten bei Menschen oder Tieren verursachen können, stellen aber im Allgemeinen keine ernsthafte Gefahr für Mensch, Tier oder Umwelt dar, weisen begrenzte Übertragungsrisiken auf, verursachen nach einer Infektion im Labor selten schwere Krankheiten und verfügen über wirksame Behandlungs- und Präventionsmaßnahmen. Dabei handelt es sich um Mikroorganismen, die von der Weltgesundheitsorganisation als gefährlich eingestuft werden (pathogene Mikroorganismen der Klasse III, wie etwa Staphylococcus aureus, Hepatitis-B-Virus usw.).

Labore der biologischen Sicherheitsstufe drei (P3): eignen sich für den Umgang mit Mikroorganismen, die bei Mensch oder Tier schwere Erkrankungen hervorrufen können und leichter direkt oder indirekt zwischen Mensch, Tier oder Tier übertragen werden, also Mikroorganismen der Gefahrenstufe drei gemäß der Definition der Weltgesundheitsorganisation (pathogene Mikroorganismen der Klasse II, wie z. B. Vibrio cholerae, Tollwutvirus etc.).

Labore mit der Biosicherheitsstufe vier (P4): eignen sich für den Betrieb von Mikroorganismen, die bei Menschen oder Tieren sehr schwere Krankheiten verursachen können, sowie für Mikroorganismen, die in meinem Land noch nicht entdeckt wurden oder für ausgerottet erklärt wurden, d. h. Mikroorganismen, die von der Weltgesundheitsorganisation als Stufe vier eingestuft werden (pathogene Mikroorganismen der Klasse I, wie z. B. Ebola-Virus, Nipah-Virus usw.).

„Wenn Sie Ihre Arbeit gut machen wollen, müssen Sie zuerst Ihre Werkzeuge schärfen.“ Das Elektronenmikroskop zeigte die ursprüngliche Form des Virus und die Fotos dokumentierten die Formen und Größen fast aller bekannten Viren; Mithilfe der PCR-Technologie wurden ausreichende biologische Grundlagen gewonnen und in den Daten wurden verschiedene Arten viraler Nukleinsäuresequenzen gespeichert, die getrennt und nachgewiesen werden konnten. Das Biosicherheitslabor bot eine Plattform zum Schutz vor viralen Infektionskrankheiten und verfügte bereits über modernisierte Einrichtungen auf allen Sicherheitsstufen. „Heute habe ich das lange Seil in der Hand, wann kann ich den blauen Drachen fesseln?“

Autor

Gao Fu, Mitglied der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, Vizepräsident der Chinesischen Ärztekammer, Direktor des Chinesischen Zentrums für Krankheitskontrolle und -prävention

Liu Huan, assoziierter Forscher am Wuhan Institute of Virology der Chinesischen Akademie der Wissenschaften und Mitglied der China Science Writers Association

Quelle: Buch „Influenzavirus: Ein unausweichlicher Feind“