Comment les chercheurs de Duke utilisent une machine de 10 millions de dollars pour faire avancer la science et le développement de vaccins

DURHAM– Qu'y a-t-il dans une forme ? En fin de compte, beaucoup. Comprendre les structures des protéines et d'autres molécules dans des détails extrêmement fins peut être essentiel pour découvrir leur fonctionnement. Et cette connaissance peut ouvrir la porte au développement de nouveaux vaccins et thérapeutiques.

Pour ce faire, les chercheurs de Duke ont accès à un outil avancé appelé microscopie électronique cryogénique (Cryo-EM), qui crée rapidement des images haute résolution des plus petits morceaux de protéines (au niveau atomique).

Trois chercheurs ont remporté le prix Nobel de chimie 2017 pour avoir été les pionniers de la technique. En 2018, Duke a acquis et installé sa propre machine cryo-EM, grâce au financement du chancelier des affaires de santé A. Eugene Washington, MD, a déclaré Jennifer Foreman, doyenne adjointe pour les sciences fondamentales à la faculté de médecine.

L'instrument a coûté de 8 à 10 millions de dollars à l'achat et à l'installation, y compris les rénovations pour l'adapter, a déclaré Mark Walters, PhD, directeur de l'installation d'instrumentation des matériaux partagés de la Pratt School of Engineering, qui abrite et gère le microscope.

Lisez la suite pour en savoir plus sur Cryo-EM et comment il est devenu un cheval de bataille dans les efforts du Duke Human Vaccine Institute pour créer un vaccin pour le VIH.

Duke a accordé une subvention fédérale de 27 millions de dollars pour construire des modèles structurels du VIH

Duke abrite l'un des quatre instruments cryo-EM des Carolines

L'Institut national des sciences de la santé environnementale (NIEHS) de Research Triangle Park a lancé le premier instrument cryo-EM en Caroline du Nord ou du Sud en 2017. Duke et l'Université de Caroline du Nord à Chapel Hill ont rapidement emboîté le pas. Le microscope électronique à transmission Thermo-Fisher Titan Krios de Duke, un modèle de deuxième génération, prend des images à une résolution un peu plus élevée que les instruments installés à l'origine au NIEHS et à l'UNC-Chapel Hill, a déclaré Walters.

En août 2022, le NIEHS a déployé son deuxième instrument, un Titan Krios comme celui de Duke, a déclaré Mario J. Borgnia, PhD, directeur du Cryo-EM Core au NIEHS. Les trois institutions font partie du Consortium de microscopie moléculaire, basé au NIEHS, qui promeut l'utilisation de la cryo-EM et d'autres outils de microscopie pour comprendre les structures moléculaires au niveau atomique et forme les chercheurs de ces institutions qui souhaitent les utiliser dans leurs travaux.

L'institut du vaccin Duke décroche un contrat d'une valeur allant jusqu'à 365 millions de dollars pour des traitements potentiels

Signification de "cryo-EM"

La partie "cryo" du nom du microscope signifie qu'il gèle les protéines ou d'autres spécimens pour garder leurs structures intactes pendant qu'un faisceau d'électrons les frappe.

La microscopie électronique se déroule dans le vide, a déclaré Walters, donc si vous essayiez d'imager les spécimens à température ambiante, "ils s'effondreraient essentiellement sur eux-mêmes".

La machine collecte des données en utilisant soit une analyse de particule unique, qui prend des milliers d'images de protéines purifiées dans des orientations aléatoires, soit une tomographie, dans laquelle des images de structures biologiques plus grandes sont prises à différents angles d'inclinaison, a déclaré Walters. Les chercheurs utilisent un logiciel informatique pour empiler les images afin de créer des modèles tridimensionnels à haute résolution.

Huit startups des subventions de démarrage des terres de la faculté de Duke - les voici

Chercheurs occupés, machine occupée

L'instrument Cryo-EM de Duke fonctionne presque 7 jours sur 24, 5,000 heures sur XNUMX, prenant jusqu'à XNUMX XNUMX images par jour.

Nilakshee Bhattacharya, PhD, membre du personnel, supervise le fonctionnement de la machine et forme les chercheurs à son utilisation. La forte demande signifie que le coût pour les chercheurs - 55 $ de l'heure - est relativement faible, a déclaré Walters. Une poignée de groupes de recherche de l'École de médecine sont de gros utilisateurs, la plupart d'entre eux au Département de biochimie et au Duke Human Vaccine Institute. Le lauréat du prix Nobel Robert Lefkowitz, MD, James B. Duke Distinguished Professor of Medicine, utilise fréquemment le microscope et a été l'un des défenseurs de l'introduction de la cryo-EM à Duke.

Duke rapporte 90 millions de dollars de frais de licence de démarrage et aide à lancer 13 nouvelles entreprises

Cryo-EM crucial pour le développement potentiel d'un vaccin contre le VIH chez Duke

Cryo-EM est crucial dans la quête du Duke Human Vaccine Institute pour développer un vaccin contre le VIH.

Le microscope est devenu la principale méthode utilisée par Priyamvada Acharya, PhD, directeur du nouveau Centre de biologie structurale du VIH de Duke, financé par le gouvernement fédéral, pour comprendre les structures liées au VIH.

"Sans un accès fréquent et immédiat à un microscope haut de gamme capable de collecter des données qui nous permettent de résoudre les détails au niveau atomique, une grande partie du travail consacré à la conception de vaccins basés sur la structure ne serait pas possible", a déclaré Acharya.

Elle a expliqué que les protéines sont de longues chaînes d'acides aminés qui se replient en une forme distincte qui définit leur fonction. Avec le VIH, par exemple, la forme unique de la protéine de l'enveloppe du VIH-1 (Env) crée un site de liaison pour un récepteur appelé CD4. "Après la liaison au CD4, la forme de l'Env change, lui permettant de se lier à des récepteurs supplémentaires", a-t-elle déclaré.

Plus loin dans la voie, plus de changements dans la forme de l'enveloppe permettent au VIH de pénétrer dans les cellules humaines. Les modèles visuels de ces interactions sont essentiels pour apprendre à concevoir un vaccin, a déclaré Acharya. "La biologie structurale nous permet de visualiser la forme et la dynamique des biomolécules, offrant ainsi une fenêtre sur leur fonction et la capacité de la modifier."

© École de médecine de l'Université Duke