Πώς οι ερευνητές του Duke χρησιμοποιούν μια μηχανή 10 εκατομμυρίων δολαρίων για να προωθήσουν την επιστήμη και την ανάπτυξη εμβολίων

DURHAM – Τι είναι σε σχήμα; Όπως αποδεικνύεται, πολλά. Η κατανόηση των δομών των πρωτεϊνών και άλλων μορίων με εξαιρετική λεπτομέρεια μπορεί να είναι το κλειδί για να μάθετε πώς λειτουργούν. Και αυτή η γνώση μπορεί να ανοίξει την πόρτα στην ανάπτυξη νέων εμβολίων και θεραπειών.

Για να το πετύχουν αυτό, οι ερευνητές του Duke έχουν πρόσβαση σε ένα προηγμένο εργαλείο που ονομάζεται Κρυογονική ηλεκτρονική μικροσκοπία (Cryo-EM), το οποίο δημιουργεί γρήγορα εικόνες υψηλής ανάλυσης από τα μικρότερα κομμάτια πρωτεϊνών (σε ατομικό επίπεδο).

Τρεις ερευνητές κέρδισαν το Νόμπελ Χημείας 2017 για την πρωτοπορία της τεχνικής. Το 2018 ο Duke απέκτησε και εγκατέστησε το δικό του μηχάνημα κρυο-EM, χάρη στη χρηματοδότηση από τον καγκελάριο για θέματα υγείας A. Eugene Washington, MD, δήλωσε η Jennifer Foreman, βοηθός κοσμήτορας για τις βασικές επιστήμες στη Σχολή Ιατρικής.

Το όργανο κόστισε 8 έως 10 εκατομμύρια δολάρια για την αγορά και την εγκατάσταση του, συμπεριλαμβανομένων των ανακαινίσεων για να το φιλοξενήσει, δήλωσε ο Mark Walters, PhD, διευθυντής της εγκατάστασης οργάνων κοινής χρήσης υλικού του Pratt School of Engineering, που στεγάζει και λειτουργεί το μικροσκόπιο.

Διαβάστε παρακάτω για να μάθετε περισσότερα σχετικά με το Cryo-EM και πώς έχει γίνει άλογο στις προσπάθειες του Duke Human Vaccine Institute να δημιουργήστε ένα εμβόλιο για τον ιό HIV.

Ο Ντιουκ απένειμε ομοσπονδιακή επιχορήγηση 27 εκατομμυρίων δολαρίων για την κατασκευή δομικών μοντέλων του HIV

Ο Duke φιλοξενεί ένα από τα τέσσερα κρυο-ΕΜ όργανα στις Καρολίνες

Το Εθνικό Ινστιτούτο Περιβαλλοντικών Επιστημών Υγείας (NIEHS) στο Research Triangle Park κυκλοφόρησε το πρώτο όργανο κρυο-EM στη Βόρεια ή Νότια Καρολίνα το 2017. Ο Duke και το Πανεπιστήμιο της Βόρειας Καρολίνας στο Chapel Hill σύντομα ακολούθησαν το παράδειγμά τους. Το Ηλεκτρονικό Μικροσκόπιο Μετάδοσης του Duke Thermo-Fisher Titan Krios Cryo, ένα μοντέλο δεύτερης γενιάς, τραβάει εικόνες σε λίγο υψηλότερη ανάλυση από τα όργανα που είχαν εγκατασταθεί αρχικά στο NIEHS και στο UNC-Chapel Hill, είπε ο Walters.

Τον Αύγουστο του 2022, το NIEHS ανέπτυξε το δεύτερο όργανό του, ένα Titan Krios όπως αυτό του Duke, δήλωσε ο Mario J. Borgnia, PhD, διευθυντής του Cryo-EM Core στο NIEHS. Και τα τρία ιδρύματα αποτελούν μέρος του Κοινοπραξία Μοριακής Μικροσκοπίας, που βασίζεται στο NIEHS, το οποίο προωθεί τη χρήση κρυο-ΕΜ και άλλων εργαλείων μικροσκοπίας για την κατανόηση των μοριακών δομών σε ατομικό επίπεδο και παρέχει εκπαίδευση σε ερευνητές από αυτά τα ιδρύματα που θέλουν να τις χρησιμοποιήσουν στην εργασία τους.

Το ινστιτούτο εμβολίων Duke κατοχυρώνει σύμβαση αξίας έως και 365 εκατομμυρίων δολαρίων για πιθανές θεραπείες

Έννοια του "cryo-EM"

Το «cryo» μέρος του ονόματος του μικροσκοπίου σημαίνει ότι παγώνει τις πρωτεΐνες ή άλλα δείγματα για να διατηρήσει τις δομές τους ανέπαφες ενώ μια δέσμη ηλεκτρονίων τα χτυπά.

Η ηλεκτρονική μικροσκοπία λαμβάνει χώρα μέσα σε ένα κενό, είπε ο Walters, οπότε αν προσπαθούσατε να απεικονίσετε τα δείγματα σε θερμοκρασία δωματίου, «Βασικά θα κατέρρεαν από μόνα τους».

Το μηχάνημα συλλέγει δεδομένα χρησιμοποιώντας είτε ανάλυση μεμονωμένων σωματιδίων, η οποία παίρνει χιλιάδες εικόνες καθαρισμένων πρωτεϊνών σε τυχαίους προσανατολισμούς, είτε τομογραφία, στην οποία λαμβάνονται εικόνες μεγαλύτερων βιολογικών δομών σε διάφορες γωνίες κλίσης, είπε ο Walters. Οι ερευνητές χρησιμοποιούν λογισμικό υπολογιστή για να στοιβάζουν τις εικόνες για να δημιουργήσουν τρισδιάστατα μοντέλα υψηλής ανάλυσης.

Οκτώ νεοφυείς επιχειρήσεις από τη σχολή Duke προσδίδουν επιχορηγήσεις σποράς - ορίστε

Πολυάσχολοι ερευνητές, πολυάσχολη μηχανή

Το όργανο Cryo-EM του Duke λειτουργεί σχεδόν 7 ημέρες την εβδομάδα, 24 ώρες την ημέρα, λαμβάνοντας έως και 5,000 εικόνες την ημέρα.

Το μέλος του προσωπικού Nilakshee Bhattacharya, PhD, επιβλέπει τη λειτουργία του μηχανήματος και εκπαιδεύει ερευνητές στη χρήση του. Η υψηλή ζήτηση σημαίνει ότι το κόστος για τους ερευνητές - 55 $ ανά ώρα - είναι σχετικά χαμηλό, είπε ο Walters. Μια χούφτα ερευνητικές ομάδες της Ιατρικής Σχολής είναι βαρείς χρήστες, οι περισσότεροι από αυτούς στο Τμήμα Βιοχημείας και στο Duke Human Vaccine Institute. Ο νικητής του βραβείου Νόμπελ Robert Lefkowitz, MD, James B. Duke Διακεκριμένος Καθηγητής Ιατρικής, χρησιμοποιεί συχνά το μικροσκόπιο και ήταν ένας από τους υποστηρικτές της εισαγωγής του κρυο-ΕΜ στον Duke.

Ο Duke αναφέρει 90 εκατομμύρια $ από τα τέλη άδειας εκκίνησης, βοηθά στην έναρξη 13 νέων εταιρειών

Το Cryo-EM είναι ζωτικής σημασίας για την πιθανή ανάπτυξη εμβολίου HIV στο Duke

Το Cryo-EM είναι ζωτικής σημασίας στην προσπάθεια του Duke Human Vaccine Institute να αναπτύξει ένα εμβόλιο για τον HIV.

Το μικροσκόπιο έχει αναλάβει ως την κύρια μέθοδο που χρησιμοποιεί ο Priyamvada Acharya, PhD, διευθυντής του νέου ομοσπονδιακά χρηματοδοτούμενου Κέντρου για τη Δομική Βιολογία του HIV του Duke, για να κατανοήσει τις δομές που σχετίζονται με τον HIV.

«Χωρίς συχνή και έτοιμη πρόσβαση σε ένα μικροσκόπιο υψηλών προδιαγραφών ικανό να συλλέγει δεδομένα που μας επιτρέπουν να επιλύουμε λεπτομέρειες ατομικού επιπέδου, μεγάλο μέρος της δουλειάς που πηγαίνει στον σχεδιασμό εμβολίων με βάση τη δομή δεν θα ήταν δυνατή», είπε ο Acharya.

Εξήγησε ότι οι πρωτεΐνες είναι μακριές αλυσίδες αμινοξέων που διπλώνουν σε ένα ξεχωριστό σχήμα που καθορίζει τη λειτουργία τους. Με τον HIV, για παράδειγμα, το μοναδικό σχήμα της πρωτεΐνης HIV-1 Envelope (Env) δημιουργεί μια θέση δέσμευσης για έναν υποδοχέα που ονομάζεται CD4. «Μετά τη σύνδεση με το CD4, το σχήμα του Env αλλάζει, επιτρέποντάς του να δεσμεύει επιπλέον υποδοχείς», είπε.

Πιο κάτω, περισσότερες αλλαγές στο σχήμα του φακέλου επιτρέπουν στον HIV να εισέλθει στα ανθρώπινα κύτταρα. Τα οπτικά μοντέλα αυτών των αλληλεπιδράσεων είναι το κλειδί για να μάθετε πώς να σχεδιάζετε ένα εμβόλιο, είπε ο Acharya. «Η δομική βιολογία μάς επιτρέπει να οπτικοποιήσουμε το σχήμα και τη δυναμική των βιομορίων, παρέχοντας έτσι ένα παράθυρο στη λειτουργία τους και την ικανότητα να την αλλάξουμε».

© Ιατρική Σχολή του Πανεπιστημίου Duke