DURHAM – Apa yang ada dalam bentuk? Ternyata, banyak. Memahami struktur protein dan molekul lain dengan sangat detail dapat menjadi kunci untuk mengetahui cara kerjanya. Dan pengetahuan itu dapat membuka pintu untuk pengembangan vaksin dan terapi baru.
Untuk mencapai itu, para peneliti Duke memiliki akses ke alat canggih yang disebut mikroskop elektron Cryogenic (Cryo-EM), yang dengan cepat membuat gambar resolusi tinggi dari potongan protein terkecil (pada tingkat atom).
Tiga peneliti memenangkan Hadiah Nobel Kimia 2017 karena mempelopori teknik ini. Pada tahun 2018 Duke memperoleh dan memasang mesin cryo-EM-nya sendiri, berkat pendanaan dari Rektor untuk Urusan Kesehatan A. Eugene Washington, MD, kata Jennifer Foreman, asisten dekan untuk ilmu dasar di School of Medicine.
Biaya instrumen $8 sampai $10 juta untuk membeli dan menginstal, termasuk renovasi untuk mengakomodasi itu, kata Mark Walters, PhD, direktur Pratt School of Engineering's Shared Materials Instrumentation Facility, yang menampung dan menjalankan mikroskop.
Baca terus untuk mempelajari lebih lanjut tentang Cryo-EM dan bagaimana Cryo-EM menjadi pekerja keras dalam upaya Duke Human Vaccine Institute untuk membuat vaksin untuk HIV.
Duke memberikan hibah federal $27 juta untuk membangun model struktural HIV
Duke adalah rumah bagi salah satu dari hanya empat instrumen cryo-EM di Carolina
Institut Nasional Ilmu Kesehatan Lingkungan (NIEHS) di Research Triangle Park meluncurkan instrumen cryo-EM pertama di Carolina Utara atau Selatan pada tahun 2017. Duke dan University of North Carolina di Chapel Hill segera menyusul. Mikroskop Elektron Transmisi Thermo-Fisher Titan Krios Cryo Duke, model generasi kedua, mengambil gambar dengan resolusi sedikit lebih tinggi daripada instrumen yang awalnya dipasang di NIEHS dan UNC-Chapel Hill, kata Walters.
Pada Agustus 2022, NIEHS mengerahkan instrumen keduanya, Titan Krios seperti yang ada di Duke, kata Mario J. Borgnia, PhD, direktur Cryo-EM Core di NIEHS. Ketiga institusi tersebut merupakan bagian dari Konsorsium Mikroskop Molekuler, berbasis di NIEHS, yang mempromosikan penggunaan cryo-EM dan alat mikroskop lainnya untuk memahami struktur molekul pada tingkat atom dan memberikan pelatihan kepada para peneliti dari lembaga-lembaga ini yang ingin menggunakannya dalam pekerjaan mereka.
Institut vaksin Duke mendapatkan kontrak senilai hingga $365 juta untuk perawatan potensial
Arti istilah cryo-EM
Bagian "cryo" dari nama mikroskop berarti bahwa ia membekukan protein atau spesimen lain untuk menjaga strukturnya tetap utuh saat seberkas elektron mengenainya.
Mikroskop elektron terjadi di dalam ruang hampa, kata Walters, jadi jika Anda mencoba membayangkan spesimen pada suhu kamar, "Mereka pada dasarnya akan runtuh dengan sendirinya."
Mesin mengumpulkan data baik menggunakan analisis partikel tunggal, yang mengambil ribuan gambar protein murni dalam orientasi acak, atau tomografi, di mana gambar struktur biologis yang lebih besar diambil pada berbagai sudut kemiringan, kata Walters. Peneliti menggunakan perangkat lunak komputer untuk menumpuk gambar untuk membuat model tiga dimensi beresolusi tinggi.
Delapan startup dari hibah benih tanah fakultas Duke – ini dia
Peneliti sibuk, mesin sibuk
Instrumen Cryo-EM Duke berjalan hampir 7 hari seminggu, 24 jam sehari, mengambil sebanyak 5,000 gambar per hari.
Anggota staf Nilakshee Bhattacharya, PhD, mengawasi pengoperasian mesin dan melatih para peneliti dalam penggunaannya. Permintaan yang tinggi berarti bahwa biaya untuk peneliti – $55 per jam – relatif rendah, kata Walters. Beberapa kelompok penelitian di School of Medicine adalah pengguna berat, kebanyakan dari mereka di Departemen Biokimia dan Duke Human Vaccine Institute. Pemenang Hadiah Nobel Robert Lefkowitz, MD, Profesor Kedokteran Terhormat James B. Duke, sering menggunakan mikroskop dan merupakan salah satu pendukung untuk membawa cryo-EM ke Duke.
Duke melaporkan $90 juta dari biaya lisensi startup, membantu meluncurkan 13 perusahaan baru
Cryo-EM penting untuk pengembangan vaksin HIV potensial di Duke
Cryo-EM sangat penting dalam upaya Duke Human Vaccine Institute untuk mengembangkan vaksin untuk HIV.
Mikroskop telah mengambil alih sebagai metode utama yang digunakan Priyamvada Acharya, PhD, direktur Pusat Biologi Struktural HIV baru yang didanai pemerintah federal Duke, untuk memahami struktur yang terkait dengan HIV.
“Tanpa akses yang sering dan siap ke mikroskop kelas atas yang mampu mengumpulkan data yang memungkinkan kami untuk menyelesaikan detail tingkat atom, banyak pekerjaan yang masuk ke desain vaksin berbasis struktur tidak akan mungkin dilakukan,” kata Acharya.
Dia menjelaskan bahwa protein adalah rantai panjang asam amino yang terlipat menjadi bentuk berbeda yang mendefinisikan fungsinya. Dengan HIV, misalnya, bentuk unik dari protein HIV-1 Envelope (Env) menciptakan tempat pengikatan untuk reseptor yang disebut CD4. “Setelah mengikat CD4, bentuk Env berubah, memungkinkannya mengikat reseptor tambahan,” katanya.
Lebih jauh ke bawah, lebih banyak perubahan dalam bentuk amplop memungkinkan HIV memasuki sel manusia. Model visual dari interaksi ini adalah kunci untuk mempelajari bagaimana merancang vaksin, kata Acharya. “Biologi struktural memungkinkan kita untuk memvisualisasikan bentuk dan dinamika biomolekul, sehingga memberikan jendela ke dalam fungsi mereka dan kemampuan untuk mengubahnya.”
© Fakultas Kedokteran Universitas Duke
