DURHAM – Mikä on muodossa? Kuten käy ilmi, paljon. Proteiinien ja muiden molekyylien rakenteiden ymmärtäminen erittäin yksityiskohtaisesti voi olla avainasemassa niiden toiminnan selvittämisessä. Ja tämä tieto voi avata oven uusien rokotteiden ja hoitomuotojen kehittämiseen.
Tämän saavuttamiseksi Duke-tutkijoilla on käytössään edistynyt työkalu nimeltä Cryogenic elektronimikroskooppi (Cryo-EM), joka luo nopeasti korkearesoluutioisia kuvia pienimmistä proteiinikappaleista (atomitasolla).
Kolme tutkijaa voitti vuoden 2017 Nobelin kemian palkinnon tekniikan uraauurtamisesta. Vuonna 2018 Duke hankki ja asensi oman kryo-EM-koneen terveysasioiden kansleri A. Eugene Washingtonin rahoituksen ansiosta, sanoi Jennifer Foreman, lääketieteellisen korkeakoulun perustieteen apulaisdekaani.
Laitteen hankinta ja asennus maksoi 8–10 miljoonaa dollaria, mukaan lukien kunnostukset sen sijoittamiseksi, sanoi Mark Walters, PhD, Pratt School of Engineeringin yhteisen materiaalin instrumentointilaitoksen johtaja, jossa mikroskooppi sijaitsee ja jota käytetään.
Lue lisää saadaksesi lisätietoja Cryo-EM:stä ja siitä, kuinka siitä on tullut työhevonen Duke Human Vaccine Instituten pyrkimyksissä luoda rokote HIV: lle.
Duke myönsi 27 miljoonan dollarin liittovaltion apurahan rakentaakseen HIV:n rakennemalleja
Dukessa on yksi Carolinan neljästä kryo-EM-instrumentista
National Institute of Environmental Health Sciences (NIEHS) Research Triangle Parkissa lanseerasi ensimmäisen kryo-EM-laitteen Pohjois- tai Etelä-Carolinassa vuonna 2017. Duke ja Chapel Hillin Pohjois-Carolinan yliopisto seurasivat pian esimerkkiä. Duken Thermo-Fisher Titan Krios Cryo Transmission Electron Microscope, toisen sukupolven malli, ottaa kuvia hieman korkeammalla resoluutiolla kuin alun perin NIEHS:iin ja UNC-Chapel Hilliin asennetut instrumentit, Walters sanoi.
Elokuussa 2022 NIEHS otti käyttöön toisen instrumenttinsa, Duken kaltaisen Titan Kriosin, sanoi Mario J. Borgnia, PhD, NIEHS:n Cryo-EM Coren johtaja. Kaikki kolme laitosta ovat osa Molecular Microscopy Consortium, joka perustuu NIEHS:iin, joka edistää kryo-EM:n ja muiden mikroskopiatyökalujen käyttöä molekyylirakenteiden ymmärtämiseksi atomitasolla ja tarjoaa koulutusta näiden laitosten tutkijoille, jotka haluavat käyttää niitä työssään.
Duke-rokoteinstituutti tekee jopa 365 miljoonan dollarin sopimuksen mahdollisista hoidoista
Sanan "cryo-EM" merkitys
Mikroskoopin nimen "kryo"-osa tarkoittaa, että se jäädyttää proteiinit tai muut näytteet pitääkseen niiden rakenteet ehjinä, kun elektronisäde osuu niihin.
Elektronimikroskopia tapahtuu tyhjiön sisällä, Walters sanoi, joten jos yrität kuvata näytteitä huoneenlämpötilassa, "ne periaatteessa romahtaisivat itseensä."
Kone kerää tietoja joko yksittäisten hiukkasten analyysillä, joka ottaa tuhansia kuvia puhdistetuista proteiineista satunnaisessa suunnassa, tai tomografiaa, jossa kuvia suuremmista biologisista rakenteista otetaan eri kallistuskulmissa, Walters sanoi. Tutkijat käyttävät tietokoneohjelmistoa kuvien pinoamiseen luodakseen korkearesoluutioisia kolmiulotteisia malleja.
Kahdeksan Duken tiedekunnan startuppia myöntävät siemenapurahoja – tässä he ovat
Kiireisiä tutkijoita, kiireinen kone
Duken Cryo-EM-laite toimii lähes 7 päivää viikossa, 24 tuntia vuorokaudessa ja ottaa jopa 5,000 XNUMX kuvaa päivässä.
Henkilökunnan jäsen Nilakshee Bhattacharya, PhD, valvoo koneen toimintaa ja kouluttaa tutkijoita sen käyttöön. Suuri kysyntä tarkoittaa, että tutkijoiden kustannukset - 55 dollaria tunnissa - ovat suhteellisen alhaiset, Walters sanoi. Kourallinen lääketieteellisen korkeakoulun tutkimusryhmiä on suuria käyttäjiä, useimmat niistä biokemian laitoksella ja Duke Human Vaccine Institutessa. Nobel-palkinnon voittaja Robert Lefkowitz, MD, James B. Duke, arvostettu lääketieteen professori, käyttää mikroskooppia usein ja oli yksi kryo-EM:n tuomisen puolestapuhujista Dukelle.
Cryo-EM on ratkaisevan tärkeä mahdolliselle HIV-rokotteen kehittämiselle Dukessa
Cryo-EM on ratkaisevan tärkeä Duke Human Vaccine Instituten pyrkimyksissä kehittää rokote HIV:tä vastaan.
Mikroskooppi on ottanut päämenetelmäksi, jota Priyamvada Acharya, PhD, Duken uuden liittovaltion rahoittaman HIV-rakennebiologian keskuksen johtaja, käyttää ymmärtääkseen HIV:hen liittyviä rakenteita.
"Ilman toistuvaa ja helppoa pääsyä korkealuokkaiseen mikroskooppiin, joka pystyy keräämään dataa, jonka avulla voimme ratkaista atomitason yksityiskohtia, suuri osa rakenteisiin perustuvasta rokotteen suunnittelusta ei olisi mahdollista", Acharya sanoi.
Hän selitti, että proteiinit ovat pitkiä aminohappoketjuja, jotka laskostuvat erilliseen muotoon, joka määrittää niiden toiminnan. Esimerkiksi HIV:n kohdalla HIV-1 Envelope (Env) -proteiinin ainutlaatuinen muoto luo sitoutumiskohdan CD4-nimiselle reseptorille. "Sitouduttuaan CD4:ään, Env:n muoto muuttuu, jolloin se voi sitoa muita reseptoreja", hän sanoi.
Reittiä pidemmällä vaipan muodon muutokset mahdollistavat HIV:n pääsyn ihmissoluihin. Näiden vuorovaikutusten visuaaliset mallit ovat avainasemassa rokotteen suunnittelun oppimisessa, Acharya sanoi. "Rakennebiologian avulla voimme visualisoida biomolekyylien muodon ja dynamiikan, mikä tarjoaa ikkunan niiden toimintaan ja kykyyn muuttaa sitä."
© Duke University School of Medicine
