دورهمی – چه چیزی در یک شکل است؟ همانطور که معلوم است، بسیار. درک ساختار پروتئین ها و سایر مولکول ها با جزئیات بسیار دقیق می تواند برای یافتن نحوه کار آنها کلیدی باشد. و این دانش می تواند راه را برای توسعه واکسن ها و درمان های جدید باز کند.
برای انجام این کار، محققان دوک به ابزار پیشرفته‌ای به نام میکروسکوپ الکترونی برودتی (Cryo-EM) دسترسی دارند که به سرعت تصاویری با وضوح بالا از کوچک‌ترین قطعات پروتئین (در سطح اتمی) ایجاد می‌کند.
سه محقق برنده جایزه نوبل شیمی در سال 2017 به دلیل پیشگامی در این تکنیک شدند. جنیفر فورمن، دستیار رئیس علوم پایه در دانشکده پزشکی، گفت: در سال 2018 دوک ماشین کرایو-EM خود را خریداری و نصب کرد، به لطف کمک مالی از سوی رئیس امور بهداشتی A. Eugene Washington، MD.
مارک والترز، دکترا، مدیر مرکز ابزار دقیق مواد مشترک دانشکده مهندسی پرت، که میکروسکوپ را در خود جای داده و راه‌اندازی می‌کند، گفت: خرید و نصب این ابزار 8 تا 10 میلیون دلار هزینه دارد، از جمله بازسازی‌ها برای جا دادن آن.
برای کسب اطلاعات بیشتر در مورد Cryo-EM و چگونگی تبدیل شدن آن به یک اسباب کار در تلاش های موسسه واکسن انسانی Duke واکسن ایجاد کنید برای HIV.
دوک 27 میلیون دلار کمک مالی فدرال برای ساخت مدل های ساختاری HIV اعطا کرد
دوک خانه یکی از چهار ساز کریو-EM در کارولیناست
موسسه ملی علوم بهداشت محیطی (NIEHS) در Research Triangle Park اولین ابزار cryo-EM را در کارولینای شمالی یا جنوبی در سال 2017 راه اندازی کرد. دوک و دانشگاه کارولینای شمالی در چپل هیل به زودی از این روش پیروی کردند. والترز گفت که میکروسکوپ الکترونی انتقالی Thermo-Fisher Titan Krios Cryo دوک، یک مدل نسل دوم، تصاویر را با وضوح کمی بالاتر از ابزارهایی که در ابتدا در NIEHS و UNC-Chapel Hill نصب شده بودند، می گیرد.
ماریو جی. بورگنیا، دکترا، مدیر Cryo-EM Core در NIEHS، گفت که در آگوست 2022، NIEHS دومین ابزار خود را، یک Titan Krios مانند آنچه در Duke بود، به کار گرفت. هر سه مؤسسه بخشی از کنسرسیوم میکروسکوپ مولکولی، مستقر در NIEHS، که استفاده از cryo-EM و سایر ابزارهای میکروسکوپی را برای درک ساختارهای مولکولی در سطح اتمی ترویج می کند و به محققان این مؤسسات که می خواهند از آنها در کار خود استفاده کنند آموزش می دهد.
انستیتو واکسن دوک قراردادی به ارزش 365 میلیون دلار برای درمان های احتمالی دارد
معنی کریو-EM
قسمت "کرایو" نام میکروسکوپ به این معنی است که پروتئین ها یا نمونه های دیگر را منجمد می کند تا ساختار آنها دست نخورده بماند در حالی که پرتوی از الکترون به آنها برخورد می کند.
به گفته والترز، میکروسکوپ الکترونی در داخل خلاء انجام می‌شود، بنابراین اگر سعی کنید نمونه‌ها را در دمای اتاق تصویر کنید، «آنها اساساً روی خود فرو می‌روند».
به گفته والترز، این دستگاه داده ها را با استفاده از تجزیه و تحلیل تک ذره، که هزاران تصویر از پروتئین های خالص شده در جهت گیری های تصادفی می گیرد، یا توموگرافی که در آن تصاویر ساختارهای بیولوژیکی بزرگتر در زوایای شیب مختلف گرفته می شود، جمع آوری می کند. محققان از نرم افزارهای کامپیوتری برای چیدن تصاویر برای ایجاد مدل های سه بعدی با وضوح بالا استفاده می کنند.
هشت استارت‌آپ از سوی دانشکده دوک، کمک‌های بذری را دریافت می‌کنند - اینها هستند
محققان مشغول، ماشین پرمشغله
ساز کریو-EM دوک تقریباً 7 روز در هفته و 24 ساعت شبانه روز کار می کند و روزانه 5,000 عکس می گیرد.
دکتر Nilakshee Bhattacharya، عضو کارکنان، بر عملکرد دستگاه نظارت می کند و محققان را در استفاده از آن آموزش می دهد. والترز گفت، تقاضای بالا به این معنی است که هزینه برای محققان - 55 دلار در ساعت - نسبتا کم است. تعداد انگشت شماری از گروه های تحقیقاتی در دانشکده پزشکی از مصرف کنندگان سنگین استفاده می کنند که اکثر آنها در بخش بیوشیمی و موسسه واکسن انسانی دوک هستند. برنده جایزه نوبل، دکتر رابرت لفکوویتز، جیمز بی. دوک، استاد برجسته پزشکی، به طور مکرر از میکروسکوپ استفاده می کند و یکی از حامیان آوردن کرایو-EM به دوک بود.
Cryo-EM برای توسعه واکسن HIV بالقوه در Duke بسیار مهم است
Cryo-EM در تلاش مؤسسه واکسن انسانی دوک برای تولید واکسن HIV بسیار مهم است.
میکروسکوپ روش اصلی است که Priyamvada Acharya، PhD، مدیر مرکز جدید زیست شناسی ساختاری HIV با بودجه فدرال دوک، برای درک ساختارهای مرتبط با HIV استفاده می کند.
آچاریا گفت: «بدون دسترسی مکرر و آماده به یک میکروسکوپ پیشرفته که قادر به جمع‌آوری داده‌هایی است که به ما امکان می‌دهد جزئیات سطح اتمی را حل کنیم، بسیاری از کارهایی که در طراحی واکسن مبتنی بر ساختار انجام می‌شود ممکن نخواهد بود.»
او توضیح داد که پروتئین‌ها زنجیره‌های بلندی از اسیدهای آمینه هستند که به شکل مشخصی تا می‌شوند که عملکرد آنها را مشخص می‌کند. برای مثال، با HIV، شکل منحصر به فرد پروتئین HIV-1 Envelope (Env) یک محل اتصال برای گیرنده ای به نام CD4 ایجاد می کند. او گفت: «پس از اتصال به CD4، شکل Env تغییر می‌کند و به آن اجازه می‌دهد گیرنده‌های اضافی را متصل کند.
در ادامه مسیر، تغییرات بیشتر در شکل پاکت به HIV اجازه می دهد تا وارد سلول های انسانی شود. آچاریا گفت که مدل‌های بصری این تعاملات کلیدی برای یادگیری طراحی واکسن هستند. زیست‌شناسی ساختاری به ما اجازه می‌دهد شکل و پویایی مولکول‌های زیستی را تجسم کنیم، بنابراین پنجره‌ای به عملکرد آنها و توانایی تغییر آنها ارائه می‌کنیم.
© دانشکده پزشکی دانشگاه دوک
