دورهام - ما هو الشكل؟ كما اتضح ، الكثير. يمكن أن يكون فهم هياكل البروتينات والجزيئات الأخرى بتفاصيل دقيقة للغاية أمرًا أساسيًا لمعرفة كيفية عملها. ويمكن أن تفتح تلك المعرفة الباب أمام تطوير لقاحات وعلاجات جديدة.
ولتحقيق ذلك ، يتمتع باحثو ديوك بإمكانية الوصول إلى أداة متقدمة تسمى المجهر الإلكتروني المبرد (Cryo-EM) ، والتي تخلق بسرعة صورًا عالية الدقة لأصغر أجزاء البروتينات (على المستوى الذري).
فاز ثلاثة باحثين بجائزة نوبل في الكيمياء لعام 2017 لريادتهم في هذه التقنية. قالت جينيفر فورمان ، مساعد العميد للعلوم الأساسية في كلية الطب ، في عام 2018 ، استحوذت Duke على آلة التبريد EM الخاصة بها وقمت بتثبيتها ، وذلك بفضل تمويل من مستشار الشؤون الصحية A. Eugene Washington ، MD.
قال مارك والترز ، دكتوراه ، مدير مرفق أدوات المواد المشتركة في كلية برات للهندسة ، والذي يضم المجهر ، إن الأداة تكلف ما بين 8 إلى 10 ملايين دولار لشرائها وتثبيتها ، بما في ذلك التجديدات لاستيعابها.
تابع القراءة لمعرفة المزيد حول Cryo-EM وكيف أصبحت قوة عمل في جهود معهد Duke Human Vaccine Institute من أجل صنع لقاح لفيروس نقص المناعة البشرية.
منح ديوك منحة اتحادية قدرها 27 مليون دولار لبناء نماذج هيكلية لفيروس نقص المناعة البشرية
Duke هي موطن لواحدة من أربعة أدوات cryo-EM في كارولينا
أطلق المعهد الوطني لعلوم الصحة البيئية (NIEHS) في Research Triangle Park أول أداة cryo-EM في شمال أو ساوث كارولينا في عام 2017. وسرعان ما تبعها ديوك وجامعة نورث كارولينا في تشابل هيل. قال والترز إن مجهر Duke's Thermo-Fisher Titan Krios Cryo Electron Transmission Microscope ، وهو نموذج من الجيل الثاني ، يلتقط صورًا بدقة أعلى قليلاً من الأدوات المثبتة في الأصل في NIEHS و UNC-Chapel Hill.
قال ماريو جيه بورجنيا ، دكتوراه ، مدير Cryo-EM Core في NIEHS ، في أغسطس 2022 ، نشرت NIEHS أجهزتها الثانية ، وهي Titan Krios مثل تلك الموجودة في Duke. جميع المؤسسات الثلاث هي جزء من اتحاد الفحص المجهري الجزيئي، ومقرها NIEHS ، والتي تروج لاستخدام cryo-EM وأدوات الفحص المجهري الأخرى لفهم الهياكل الجزيئية على المستوى الذري وتوفر التدريب للباحثين من هذه المؤسسات الذين يرغبون في استخدامها في عملهم.
عقد أرض معهد ديوك للقاح تصل قيمته إلى 365 مليون دولار للعلاجات المحتملة
معنى "cryo-EM"
يعني الجزء "cryo" من اسم المجهر أنه يجمد البروتينات أو العينات الأخرى للحفاظ على هياكلها سليمة بينما تضربها حزمة من الإلكترونات.
قال والترز إن الفحص المجهري الإلكتروني يحدث داخل فراغ ، لذا إذا حاولت تصوير العينات في درجة حرارة الغرفة ، "فإنها ستنهار على نفسها بشكل أساسي".
وقال والترز إن الجهاز يجمع البيانات باستخدام إما تحليل الجسيم الفردي ، الذي يأخذ آلاف الصور للبروتينات المنقاة في اتجاهات عشوائية ، أو التصوير المقطعي ، حيث يتم التقاط صور لتراكيب بيولوجية أكبر بزوايا إمالة مختلفة. يستخدم الباحثون برامج الكمبيوتر لتكديس الصور لإنشاء نماذج ثلاثية الأبعاد عالية الدقة.
باحثون مشغولون ، آلة مشغولة
تعمل أداة Duke's Cryo-EM لما يقرب من 7 أيام في الأسبوع ، 24 ساعة في اليوم ، مع ما يصل إلى 5,000 صورة في اليوم.
يشرف الموظف نيلاكشي بهاتاشاريا ، الحاصل على درجة الدكتوراه ، على تشغيل الجهاز وتدريب الباحثين على استخدامه. قال والترز إن ارتفاع الطلب يعني أن تكلفة الباحثين - 55 دولارًا للساعة - منخفضة نسبيًا. عدد قليل من المجموعات البحثية في كلية الطب من المستخدمين بكثافة ، ومعظمهم في قسم الكيمياء الحيوية ومعهد ديوك للقاحات البشرية. روبرت ليفكويتز الحائز على جائزة نوبل ، دكتوراه في الطب ، أستاذ الطب المتميز لجيمس بي ديوك ، يستخدم المجهر بشكل متكرر وكان أحد المدافعين عن جلب جهاز التبريد التجميد إلى ديوك.
أبلغت ديوك عن 90 مليون دولار من رسوم ترخيص بدء التشغيل ، وتساعد في إطلاق 13 خبيرًا جديدًا
Cryo-EM حاسمة لتطوير لقاح فيروس نقص المناعة البشرية المحتمل في Duke
يعد Cryo-EM أمرًا حاسمًا في سعي معهد Duke Human Vaccine Institute لتطوير لقاح لفيروس نقص المناعة البشرية.
تم استخدام المجهر باعتباره الطريقة الرئيسية التي يستخدمها Priyamvada Acharya ، دكتوراه ، مدير مركز Duke الجديد الممول اتحاديًا للبيولوجيا الهيكلية لفيروس نقص المناعة البشرية ، لفهم الهياكل المتعلقة بفيروس نقص المناعة البشرية.
قال أشاريا: "بدون الوصول المتكرر والجاهز إلى مجهر متطور قادر على جمع البيانات التي تسمح لنا بحل تفاصيل المستوى الذري ، فإن الكثير من العمل الذي يدخل في تصميم اللقاح القائم على الهيكل لن يكون ممكنًا".
وأوضحت أن البروتينات عبارة عن سلاسل طويلة من الأحماض الأمينية تنثني في شكل مميز يحدد وظيفتها. مع فيروس نقص المناعة البشرية ، على سبيل المثال ، فإن الشكل الفريد لبروتين HIV-1 Envelope (Env) يخلق موقعًا ملزمًا لمستقبل يسمى CD4. وقالت: "بعد الارتباط بـ CD4 ، يتغير شكل Env ، مما يسمح له بربط مستقبلات إضافية".
على طول المسار ، تسمح المزيد من التغييرات في شكل المغلف لفيروس نقص المناعة البشرية بدخول الخلايا البشرية. قال أشاريا إن النماذج المرئية لهذه التفاعلات أساسية لتعلم كيفية تصميم لقاح. "تسمح لنا البيولوجيا الهيكلية بتصور شكل وديناميكيات الجزيئات الحيوية ، وبالتالي توفير نافذة على وظيفتها والقدرة على تغييرها."
© كلية الطب بجامعة ديوك
