In che modo i ricercatori Duke stanno usando una macchina da 10 milioni di dollari per far progredire la scienza e lo sviluppo di vaccini

DURHAM – Cosa c'è in una forma? A quanto pare, molto. Comprendere le strutture delle proteine ​​e di altre molecole nei minimi dettagli può essere la chiave per scoprire come funzionano. E quella conoscenza può aprire la porta allo sviluppo di nuovi vaccini e terapie.

A tal fine, i ricercatori Duke hanno accesso a uno strumento avanzato chiamato microscopia elettronica criogenica (Cryo-EM), che crea rapidamente immagini ad alta risoluzione dei più piccoli frammenti di proteine ​​(a livello atomico).

Tre ricercatori hanno vinto il Premio Nobel per la Chimica 2017 per aver aperto la strada alla tecnica. Nel 2018 Duke ha acquisito e installato la propria macchina crio-EM, grazie al finanziamento del Cancelliere per gli affari sanitari A. Eugene Washington, MD, ha affermato Jennifer Foreman, assistente preside per le scienze di base presso la School of Medicine.

Lo strumento è costato dagli 8 ai 10 milioni di dollari per l'acquisto e l'installazione, compresi i lavori di ristrutturazione per adattarlo, ha affermato Mark Walters, PhD, direttore della Shared Materials Instrumentation Facility della Pratt School of Engineering, che ospita e gestisce il microscopio.

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Duke ospita uno dei soli quattro strumenti crio-EM nelle Carolina

Il National Institute of Environmental Health Sciences (NIEHS) nel Research Triangle Park ha lanciato il primo strumento crio-EM nella Carolina del Nord o del Sud nel 2017. Duke e l'Università della Carolina del Nord a Chapel Hill hanno presto seguito l'esempio. Il microscopio elettronico a trasmissione Cryo Titan Krios Thermo-Fisher di Duke, un modello di seconda generazione, acquisisce immagini a una risoluzione leggermente superiore rispetto agli strumenti originariamente installati al NIEHS e all'UNC-Chapel Hill, ha affermato Walters.

Nell'agosto 2022, il NIEHS ha schierato il suo secondo strumento, un Titan Krios come quello di Duke, ha affermato Mario J. Borgnia, PhD, direttore del Cryo-EM Core al NIEHS. Tutte e tre le istituzioni fanno parte del Consorzio di Microscopia Molecolare, con sede presso il NIEHS, che promuove l'uso di crio-EM e altri strumenti di microscopia per comprendere le strutture molecolari a livello atomico e fornisce formazione ai ricercatori di queste istituzioni che desiderano utilizzarle nel loro lavoro.

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Significato di “crio-EM”

La parte "crio" del nome del microscopio significa che congela le proteine ​​o altri campioni per mantenere intatte le loro strutture mentre un fascio di elettroni li colpisce.

La microscopia elettronica si svolge all'interno di un vuoto, ha detto Walters, quindi se provassi a riprendere i campioni a temperatura ambiente, "fondamentalmente collasserebbero su se stessi".

La macchina raccoglie i dati utilizzando l'analisi di singole particelle, che acquisisce migliaia di immagini di proteine ​​purificate in orientamenti casuali, o la tomografia, in cui le immagini di strutture biologiche più grandi vengono acquisite con vari angoli di inclinazione, ha affermato Walters. I ricercatori utilizzano un software per computer per impilare le immagini per creare modelli tridimensionali ad alta risoluzione.

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Ricercatori impegnati, macchina impegnata

Lo strumento Cryo-EM di Duke funziona quasi 7 giorni alla settimana, 24 ore al giorno, scattando fino a 5,000 immagini al giorno.

Il membro dello staff Nilakshee Bhattacharya, PhD, sovrintende al funzionamento della macchina e forma i ricercatori nel suo utilizzo. L'elevata domanda significa che il costo per i ricercatori - $ 55 l'ora - è relativamente basso, ha affermato Walters. Una manciata di gruppi di ricerca nella Scuola di Medicina ne fanno un uso intenso, la maggior parte nel Dipartimento di Biochimica e nel Duke Human Vaccine Institute. Il vincitore del premio Nobel Robert Lefkowitz, MD, James B. Duke Distinguished Professor of Medicine, usa frequentemente il microscopio ed è stato uno dei sostenitori dell'introduzione della crio-EM a Duke.

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Il microscopio ha assunto il ruolo di metodo principale che Priyamvada Acharya, PhD, direttore del nuovo Center for HIV Structural Biology di Duke, finanziato a livello federale, utilizza per comprendere le strutture legate all'HIV.

"Senza un accesso frequente e pronto a un microscopio di fascia alta in grado di raccogliere dati che ci consentano di risolvere i dettagli a livello atomico, gran parte del lavoro relativo alla progettazione di vaccini basati sulla struttura non sarebbe possibile", ha affermato Acharya.

Ha spiegato che le proteine ​​sono lunghe catene di amminoacidi che si ripiegano in una forma distinta che definisce la loro funzione. Con l'HIV, ad esempio, la forma unica della proteina HIV-1 Envelope (Env) crea un sito di legame per un recettore chiamato CD4. "Dopo essersi legato al CD4, la forma dell'Env cambia, consentendogli di legare ulteriori recettori", ha detto.

Più avanti lungo il percorso, più cambiamenti nella forma dell'involucro consentono all'HIV di entrare nelle cellule umane. I modelli visivi di queste interazioni sono fondamentali per imparare a progettare un vaccino, ha affermato Acharya. "La biologia strutturale ci consente di visualizzare la forma e la dinamica delle biomolecole, fornendo così una finestra sulla loro funzione e la capacità di alterarla".

© Scuola di Medicina della Duke University