Cómo los investigadores de Duke están utilizando una máquina de $ 10 millones para avanzar en la ciencia y el desarrollo de vacunas

DURHAM - ¿Qué hay en una forma? Resulta que mucho. Comprender las estructuras de las proteínas y otras moléculas con un detalle extremadamente fino puede ser clave para descubrir cómo funcionan. Y ese conocimiento puede abrir la puerta al desarrollo de nuevas vacunas y terapias.

Para lograrlo, los investigadores de Duke tienen acceso a una herramienta avanzada llamada microscopía electrónica criogénica (Cryo-EM), que crea rápidamente imágenes de alta resolución de las piezas más pequeñas de proteínas (a nivel atómico).

Tres investigadores ganaron el Premio Nobel de Química 2017 por ser pioneros en la técnica. En 2018, Duke adquirió e instaló su propia máquina crio-EM, gracias a la financiación del Canciller de Asuntos de Salud A. Eugene Washington, MD, dijo Jennifer Foreman, vicedecana de ciencias básicas en la Facultad de Medicina.

La compra e instalación del instrumento costó entre $ 8 y $ 10 millones, incluidas las renovaciones para acomodarlo, dijo Mark Walters, PhD, director de la Instalación de Instrumentación de Materiales Compartidos de la Escuela de Ingeniería Pratt, que alberga y opera el microscopio.

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Duke es el hogar de uno de los cuatro instrumentos crio-EM en las Carolinas

El Instituto Nacional de Ciencias de la Salud Ambiental (NIEHS) en Research Triangle Park lanzó el primer instrumento crio-EM en Carolina del Norte o del Sur en 2017. Duke y la Universidad de Carolina del Norte en Chapel Hill pronto siguieron su ejemplo. El microscopio electrónico de transmisión Thermo-Fisher Titan Krios Cryo de Duke, un modelo de segunda generación, toma imágenes a una resolución un poco más alta que los instrumentos instalados originalmente en NIEHS y UNC-Chapel Hill, dijo Walters.

En agosto de 2022, NIEHS desplegó su segundo instrumento, un Titan Krios como el de Duke, dijo Mario J. Borgnia, PhD, director de Cryo-EM Core en NIEHS. Las tres instituciones forman parte de la Consorcio de Microscopía Molecular, con sede en NIEHS, que promueve el uso de crio-EM y otras herramientas de microscopía para comprender las estructuras moleculares a nivel atómico y brinda capacitación a los investigadores de estas instituciones que desean utilizarlas en su trabajo.

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Significado de “crio-EM”

La parte “crio” del nombre del microscopio significa que congela las proteínas u otras muestras para mantener sus estructuras intactas mientras un haz de electrones las golpea.

La microscopía electrónica se lleva a cabo dentro de un vacío, dijo Walters, por lo que si intentara obtener imágenes de las muestras a temperatura ambiente, "básicamente colapsarían sobre sí mismas".

La máquina recopila datos mediante análisis de partículas individuales, que toma miles de imágenes de proteínas purificadas en orientaciones aleatorias, o tomografía, en la que se toman imágenes de estructuras biológicas más grandes en varios ángulos de inclinación, dijo Walters. Los investigadores usan software de computadora para apilar las imágenes para crear modelos tridimensionales de alta resolución.

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Investigadores ocupados, máquina ocupada

El instrumento Cryo-EM de Duke funciona casi los 7 días de la semana, las 24 horas del día, y toma hasta 5,000 imágenes por día.

Nilakshee Bhattacharya, PhD, miembro del personal, supervisa el funcionamiento de la máquina y capacita a los investigadores en su uso. La alta demanda significa que el costo para los investigadores (55 dólares por hora) es relativamente bajo, dijo Walters. Un puñado de grupos de investigación en la Facultad de Medicina son grandes usuarios, la mayoría de ellos en el Departamento de Bioquímica y el Instituto de Vacunas Humanas de Duke. El ganador del Premio Nobel, Robert Lefkowitz, MD, Profesor Distinguido de Medicina James B. Duke, usa el microscopio con frecuencia y fue uno de los defensores de llevar la crio-EM a Duke.

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Cryo-EM crucial para el desarrollo potencial de una vacuna contra el VIH en Duke

Cryo-EM es crucial en la búsqueda del Duke Human Vaccine Institute para desarrollar una vacuna contra el VIH.

El microscopio se ha convertido en el método principal que Priyamvada Acharya, PhD, director del nuevo Centro de Biología Estructural del VIH de Duke, financiado con fondos federales, utiliza para comprender las estructuras relacionadas con el VIH.

“Sin el acceso frecuente y rápido a un microscopio de alta gama capaz de recopilar datos que nos permitan resolver los detalles a nivel atómico, gran parte del trabajo que se dedica al diseño de vacunas basado en la estructura no sería posible”, dijo Acharya.

Explicó que las proteínas son largas cadenas de aminoácidos que se pliegan en una forma distinta que define su función. Con el VIH, por ejemplo, la forma única de la proteína Envoltura del VIH-1 (Env) crea un sitio de unión para un receptor llamado CD4. “Después de unirse a CD4, la forma de Env cambia, lo que le permite unirse a receptores adicionales”, dijo.

Más adelante en el camino, más cambios en la forma de la envoltura permiten que el VIH ingrese a las células humanas. Los modelos visuales de estas interacciones son clave para aprender a diseñar una vacuna, dijo Acharya. “La biología estructural nos permite visualizar la forma y la dinámica de las biomoléculas, proporcionando así una ventana a su función y la capacidad de alterarla”.

© Facultad de Medicina de la Universidad de Duke