DURHAM – מה יש בצורה? כפי שמתברר, הרבה. הבנת המבנים של חלבונים ומולקולות אחרות בפירוט עדין ביותר יכולה להיות המפתח לגלות כיצד הם פועלים. והידע הזה יכול לפתוח את הדלת לפיתוח חיסונים ותרופות חדשות.
כדי להשיג זאת, לחוקרים של Duke יש גישה לכלי מתקדם הנקרא מיקרוסקופיה אלקטרונית קריוגנית (Cryo-EM), אשר יוצרת במהירות תמונות ברזולוציה גבוהה של חתיכות החלבונים הקטנות ביותר (ברמה האטומית).
שלושה חוקרים זכו בפרס נובל לכימיה לשנת 2017 על חלוצות הטכניקה. בשנת 2018 דיוק רכש והתקין מכונת cryo-EM משלה, הודות למימון מהקנצלר לענייני בריאות א. יוג'ין וושינגטון, MD, אמרה ג'ניפר פורמן, עוזרת דיקנית למדע בסיסי בבית הספר לרפואה.
המכשיר עלה בין 8 ל-10 מיליון דולר לרכישה והתקנה, כולל שיפוצים כדי להתאים אותו, אמר מארק וולטרס, דוקטורט, מנהל מתקן המכשור המשותף לחומרים משותפים של בית הספר להנדסה פראט, המאכלס ומפעיל את המיקרוסקופ.
המשך לקרוא כדי ללמוד עוד על Cryo-EM וכיצד הוא הפך לסוס עבודה במאמצים של מכון החיסון האנושי של דיוק ליצור חיסון ל- HIV.
דיוק העניק מענק פדרלי בסך 27 מיליון דולר לבניית מודלים מבניים של HIV
דיוק הוא ביתו של אחד מארבעה מכשירי cryo-EM בלבד בקרוליינה
המכון הלאומי למדעי הבריאות הסביבתית (NIEHS) בפארק משולש המחקר השיק את מכשיר ה-cryo-EM הראשון בצפון או בדרום קרולינה בשנת 2017. דיוק ואוניברסיטת צפון קרוליינה בצ'פל היל הלכו בעקבותיו. מיקרוסקופ האלקטרונים של דיוק Thermo-Fisher Titan Krios Cryo, דגם דור שני, מצלם תמונות ברזולוציה קצת יותר גבוהה מהמכשירים שהותקנו במקור ב-NIHS וב-UNC-Chapel Hill, אמר וולטרס.
באוגוסט 2022, NIEHS פרסה את הכלי השני שלה, Titan Krios כמו זה ב-Duke, אמר מריו ג'יי בורגניה, PhD, מנהל ליבת Cryo-EM ב-NIHS. כל שלושת המוסדות הם חלק מה קונסורציום מיקרוסקופיה מולקולרית, שבסיסה ב-NIHS, אשר מקדמת שימוש ב-cryo-EM ובכלי מיקרוסקופיה אחרים להבנת מבנים מולקולריים ברמה האטומית ומספקת הכשרה לחוקרים ממוסדות אלו המעוניינים להשתמש בהם בעבודתם.
מכון החיסונים של דיוק מקרקע חוזה בשווי של עד 365 מיליון דולר לטיפולים פוטנציאליים
המשמעות של "cryo-EM"
החלק "קריו" של שם המיקרוסקופ אומר שהוא מקפיא את החלבונים או דגימות אחרות כדי לשמור על המבנים שלהם שלמים בזמן שקרן אלקטרונים פוגעת בהם.
מיקרוסקופיה אלקטרונית מתרחשת בתוך ואקום, אמר וולטרס, כך שאם תנסה לצלם את הדגימות בטמפרטורת החדר, "הם בעצם היו קורסים לתוך עצמם."
המכונה אוספת נתונים באמצעות ניתוח חלקיקים בודדים, שמצלם אלפי תמונות של חלבונים מטוהרים בכיוונים אקראיים, או טומוגרפיה, שבה צולמים תמונות של מבנים ביולוגיים גדולים יותר בזוויות הטיה שונות, אמר וולטרס. חוקרים משתמשים בתוכנת מחשב כדי לערום את התמונות כדי ליצור מודלים תלת מימדיים ברזולוציה גבוהה.
חוקרים עסוקים, מכונה עסוקה
מכשיר ה-Cryo-EM של דיוק פועל כמעט 7 ימים בשבוע, 24 שעות ביממה, ומצלם עד 5,000 תמונות ביום.
חבר הצוות Nilakshee Bhattacharya, PhD, מפקח על פעולת המכונה ומכשיר חוקרים בשימוש בה. הביקוש הגבוה אומר שהעלות לחוקרים - 55 דולר לשעה - נמוכה יחסית, אמר וולטרס. קומץ קבוצות מחקר בבית הספר לרפואה הם משתמשים כבדים, רובם במחלקה לביוכימיה ובמכון החיסון האנושי של דיוק. זוכה פרס נובל רוברט לפקוביץ, MD, ג'יימס B. Duke פרופסור נכבד לרפואה, משתמש במיקרוסקופ לעתים קרובות והיה אחד התומכים בהבאת cryo-EM ל-Duke.
דיוק מדווח על 90 מיליון דולר מדמי רישיון סטארט-אפ, עוזר להשיק 13 וטורים חדשים
Cryo-EM חיוני לפיתוח חיסון פוטנציאלי ל-HIV ב-Duke
Cryo-EM הוא חיוני במסעו של מכון החיסון האנושי של דיוק לפיתוח חיסון ל-HIV.
המיקרוסקופ השתלט כשיטה העיקרית שבה משתמשת Priyamvada Acharya, PhD, מנהלת המרכז החדש של Duke לביולוגיה מבנית של HIV במימון פדרלי, כדי להבין מבנים הקשורים ל-HIV.
"ללא גישה תכופה ומוכנה למיקרוסקופ מתקדם המסוגל לאסוף נתונים המאפשרים לנו לפתור פרטים ברמה האטומית, הרבה מהעבודה שנכנסת לתכנון חיסון מבוסס מבנה לא תהיה אפשרית", אמר אצ'ריה.
היא הסבירה שחלבונים הם שרשראות ארוכות של חומצות אמינו המתקפלות לצורה ברורה המגדירה את תפקידן. עם HIV, למשל, הצורה הייחודית של חלבון HIV-1 Envelope (Env) יוצרת אתר קישור לקולטן הנקרא CD4. "לאחר הקישור ל-CD4, צורת ה-Env משתנה, מה שמאפשר לו לקשור קולטנים נוספים", אמרה.
בהמשך המסלול, שינויים נוספים בצורת המעטפה מאפשרים ל-HIV להיכנס לתאים אנושיים. מודלים חזותיים של אינטראקציות אלה הם המפתח ללמידה כיצד לעצב חיסון, אמר Acharya. "ביולוגיה מבנית מאפשרת לנו לדמיין את הצורה והדינמיקה של ביומולקולות, ובכך לספק צוהר לתפקוד שלהן וליכולת לשנות אותה."
© בית הספר לרפואה של אוניברסיטת דיוק
