El mapeig d’interaccions multimoleculars individuals proporciona nous coneixements sobre la captura viral

Quan un virus ens infecta, les cèl·lules dendrítiques el detecten i el capturen. Posteriorment, presenten el virus a altres cèl·lules del sistema immunitari, que activen la resposta adequada per intentar frenar la infecció. Tanmateix, alguns virus, com el VIH, han après a aprofitar aquesta situació i utilitzen les cèl·lules dendrítiques com a "cavalls de Troia" per propagar-se més profundament dins del cos. Un cop al seu interior, el VIH inhibeix la capacitat de les cèl·lules dendrítiques per madurar i alertar el sistema immunitari, debilitant la resposta immune i podent derivar finalment en la SIDA.

Entendre els esdeveniments moleculars primerencs que condueixen a la captura viral i l'entrada a les cèl·lules és crucial per dissenyar vacunes efectives. Per esbrinar com un receptor de la membrana cel·lular s’uneix i captura un virus, és essencial obtenir informació a nivell de molècula individual. Tanmateix, les molècules rarament actuen de manera aïllada; la seva funció depèn de les interaccions amb altres molècules. Es poden imaginar com una societat, on el comportament individual depèn en gran mesura de les interaccions amb els altres. “Et comportes de manera diferent quan interactues amb els teus pares, germans o el teu cap. I la majoria de vegades necessitem interactuar amb altres per fer millor la nostra feina, o simplement perquè no podem fer-la sols”, explica Maria García Parajo, Professora ICREA a l’ICFO. “Exactament el mateix passa dins d’una cèl·lula: les interaccions entre molècules individuals són a la base de la seva funció i poden millorar significativament com la duen a terme”.

Per tant, desenvolupar una eina capaç de rastrejar interaccions entre múltiples molècules en temps real, a nivell de molècula individual i en cèl·lules vives, ha estat una prioritat en biofísica. Investigadors de l’ICFO, el Dr. Nicolas Mateos, el Dr. Enric Gutierrez-Martinez, la Dra. Jessica Angulo-Capel, el Dr. Juan A. Torreno-Pina, liderats per la Professora ICREA María F. García Parajo, juntament amb el King’s College de Londres, han presentat recentment a ACS Nano una tècnica que satisfà aquestes condicions. L’equip ha desenvolupat una nova i potent metodologia a nivell de molècula individual, capaç de monitorar simultàniament diferents molècules etiquetades en cèl·lules vives, i ha utilitzat aquesta informació per construir mapes espaciotemporals. Aquests mapes rastregen la posició i les interaccions de diverses biopartícules de manera individual al llarg del temps, fet que els enfocaments anteriors no podien resoldre.

Amb aquesta tècnica, els investigadors van capturar interaccions en temps real entre partícules virals individuals i tres proteïnes diferents a la membrana de cèl·lules dendrítiques immadures vives. Aquest mapeig va revelar una acció coordinada de les tres proteïnes, que va ser crucial per capturar dos virus diferents: VIH-1 i SARS-CoV-2.

HiDenMaps multicolor per visualitzar interaccions moleculars

Per estudiar les interaccions entre virus i receptors, així com el paper d’altres molècules individuals en temps real, l’equip va desenvolupar una tècnica de mapeig multimolecular anomenada Mapes d'Alta Densitat Multicolor (HiDenMaps, per les sigles en anglès). Per demostrar la seva utilitat, van estudiar el virus VIH-1 i les seves interaccions amb tres proteïnes (DC-SIGN, CD44 i galectina-9).

Els HiDenMaps es van crear etiquetant cada proteïna i el virus amb marcadors fluorescents. Quan s'il·luminen, cada marcador emet llum d’un color diferent, permetent als investigadors rastrejar les seves posicions amb precisió nanomètrica. Les dades de cada marcador es van combinar en una sola imatge, el HiDenMap. Posteriorment, els mapes individuals es van integrar en un únic mapa multicolor que encapsulava la distribució espacial i temporal de totes les molècules alhora. “Els mapes finals tenen quatre colors, un per a cada molècula. Això fa que “veure” on i quan coincideixen diverses d'elles sigui més fàcil, ajudant-nos a identificar les seves interaccions”, assegura el Dr. Nicolás Mateos, autor principal de l'article i desenvolupador principal de la tècnica.

Com les cèl·lules dendrítiques capturen el VIH de manera eficient

Els HiDenMaps, combinats amb eines quantitatives, van permetre als investigadors seguir les tres proteïnes i el virus en temps real, mostrant com les seves interaccions influeixen en la unió i captura viral. Per al VIH-1, van identificar quatre passos principals. Primer, les tres proteïnes exploren l’entorn de manera coordinada, inspeccionant les mateixes regions o adjacents, com una patrulla cel·lular. Quan el virus arriba, és més probable que s’uneixi en àrees on les tres proteïnes s’acumulen en quantitats més grans i, durant el contacte viral, les tres proteïnes es reagrupen més estretament, reforçant encara més la unió. Aquests nanoclústers milloren la interacció entre el receptor viral (DC-SIGN) i el virus. I, finalment, aquesta interacció millorada augmenta la probabilitat de captura del virus, el pas inicial cap a la infecció de les cèl·lules dendrítiques.

“Vam descobrir que, tot i que DC-SIGN pot capturar el virus, necessita dos socis —CD44 i galectina-9— per fer-ho de manera eficient”, explica el Dr. Mateos. “Curiosament, només quan DC-SIGN interactua simultàniament amb tots dos, la unió i captura dels virus és més forta, més estable i més probable que condueixi a una infecció”, afegeix.

HiDenMaps: una eina general per rastrejar interaccions multimoleculars

El mateix procés es va observar per al SARS-CoV-2, el causant de la COVID-19. Això suggereix un mecanisme potencialment generalitzat per a la captura viral en cèl·lules dendrítiques immadures, on les tres proteïnes juguen un paper central. Segons la professora García Parajo: “Això té enormes implicacions per al desenvolupament de vacunes, ja que prevenir les primeres etapes de la captura viral interrompent les interaccions entre DC-SIGN i els seus socis podria ser una estratègia més efectiva que bloquejar únicament el receptor viral”.

De manera més general, els HiDenMaps multicolor podrien aplicar-se per estudiar qualsevol interacció multimolecular en cèl·lules vives. A més, combinar els HiDenMaps amb una altra tècnica existent anomenada multiplexació per freqüència podria augmentar el nombre de partícules rastrejades. “Idealment, una combinació així resultaria en un HiDenMap amb tots els colors de l’arc de Sant Martí! El repte és que, de moment, la multiplexació per freqüència només s’ha aplicat en cèl·lules fixes. Aplicar-la a cèl·lules vives no és trivial, però sens dubte no és impossible”, conclou la professora García Parajo. Aquesta gran versatilitat converteix els HiDenMaps en un avenç tecnològic molt significatiu per al camp de les molècules individuals.

Referència:

Nicolas Mateos, Enric Gutierrez-Martinez, Jessica Angulo-Capel, Irene Carlon-Andres, Sergi Padilla-Parra, Maria F. Garcia-Parajo, and Juan A. Torreno-Pina. ACS Nano 2024 18 (42), 28881-28893

DOI: 10.1021/acsnano.4c09085

Agraïments:

The research leading to these results has received funding from the European Commission H2020 Program under grant agreement ERC Adv788546 (NANO-MEMEC) (to M.F.G.-P.), ERC-2019-CoG-863869 (FUSION) (to S.P.-P.), The Chan-Zuckerberg Initiative “Multicolor single molecule tracking with lifetime imaging” (2023-321188 to S.P.-P.), Government of Spain (Severo Ochoa CEX2019-000910-S), State Research Agency (AEI) (PID2020-113068RB-I00/10.13039/501100011033) (to M.F.G.-P.) and JdC-IJCI-2017-33160 (to J.A.T.-P.), Fundació CELLEX (Barcelona), Fundació Mir-Puig and the Generalitat de Catalunya through the CERCA program and AGAUR (Grant No. 2021 SGR01450 M.F.G.-P.). N.M. acknowledges funding from the European Union H2020 under the Marie Sklodowska-Curie grant 754558-PREBIST.