ダラム– 形になっているものは何ですか？ 結局のところ、たくさんあります。 タンパク質やその他の分子の構造を非常に詳細に理解することは、それらがどのように機能するかを知るための鍵となります。 そして、その知識は、新しいワクチンや治療法の開発への扉を開くことができます.
これを達成するために、デューク大学の研究者は極低温電子顕微鏡法 (Cryo-EM) と呼ばれる高度なツールにアクセスできます。このツールは、タンパク質の最小片の高解像度画像 (原子レベル) を迅速に作成します。
この技術の先駆者として、2017 人の研究者が 2018 年のノーベル化学賞を受賞しました。 XNUMX 年に、Duke は独自のクライオ EM マシンを取得して設置しました。これは、健康問題の学長 A. Eugene Washington, MD からの資金提供のおかげで、Jennifer Foreman 医学部の基礎科学の副学部長であると述べました。
この装置の購入と設置には 8 万ドルから 10 万ドルの費用がかかり、これに対応するための改修も含めて、顕微鏡を収容し運営するプラット スクール オブ エンジニアリングの共有材料計測施設の責任者であるマーク ウォルターズ博士は述べています。
Cryo-EM の詳細と、Duke Human Vaccine Institute の ワクチンを作る HIVのために。
デュークは、カロライナ州にあるわずか XNUMX つのクライオ EM 装置のうちの XNUMX つを所有しています。
リサーチ トライアングル パークにある国立環境健康科学研究所 (NIEHS) は、2017 年にノースカロライナ州またはサウスカロライナ州で最初のクライオ EM 機器を発売しました。 第 XNUMX 世代モデルである Duke の Thermo-Fisher Titan Krios Cryo Transmission Electron Microscope は、NIEHS および UNC-Chapel Hill に元々設置されていた機器よりも少し高い解像度で画像を取得すると、Walters 氏は述べています。
2022 年 XNUMX 月、NIEHS は XNUMX 番目の装置である Duke のものと同様の Titan Krios を導入したと、NIEHS の Cryo-EM Core のディレクターである Mario J. Borgnia 博士は述べています。 XNUMXつの機関はすべて、 分子顕微鏡コンソーシアム、原子レベルで分子構造を理解するためにクライオEMおよびその他の顕微鏡ツールの使用を促進し、それらを自分の仕事に使用したいこれらの機関の研究者にトレーニングを提供します。
「クライオEM」の意味
顕微鏡の名前の「クライオ」の部分は、電子ビームが当たっている間、タンパク質やその他の標本を凍結して構造を損なわないようにすることを意味します。
ウォルターズ氏によると、電子顕微鏡は真空中で行われるため、標本を室温で画像化しようとすると、「基本的に、標本は自然に崩壊します」とのことです。
このマシンは、無作為な向きで精製されたタンパク質の何千もの画像を取得する単一粒子分析、またはより大きな生物学的構造の画像をさまざまな傾斜角度で取得するトモグラフィーのいずれかを使用してデータを収集します、と Walters 氏は述べています。 研究者はコンピューター ソフトウェアを使用して画像を積み重ね、高解像度の XNUMX 次元モデルを作成します。
忙しい研究者、忙しいマシン
Duke の Cryo-EM 装置は、ほぼ週 7 日、24 日 5,000 時間稼働し、XNUMX 日あたり XNUMX 枚もの画像を撮影します。
スタッフ メンバーの Nilakshee Bhattacharya 博士は、機械の操作を監督し、研究者にその使用法を教えています。 需要が高いということは、研究者のコスト (55 時間あたり XNUMX ドル) が比較的低いことを意味するとウォルターズ氏は言います。 医学部の一握りの研究グループはヘビー ユーザーであり、そのほとんどは生化学科とデューク ヒューマン ワクチン研究所にあります。 ノーベル賞受賞者である Robert Lefkowitz 医学博士、James B. Duke Distinguished Professor of Medicine は、顕微鏡を頻繁に使用し、クライオ EM を Duke に導入することを提唱した XNUMX 人でした。
Duke での潜在的な HIV ワクチン開発に不可欠な Cryo-EM
Cryo-EM は、デューク ヒューマン ワクチン研究所が HIV のワクチンを開発するために欠かせないものです。
顕微鏡は、HIV に関連する構造を理解するためにデューク大学の新しい連邦資金による HIV 構造生物学センターの所長である Priyamvada Acharya 博士が使用する主な方法として引き継がれています。
「原子レベルの詳細を解明することを可能にするデータを収集できるハイエンドの顕微鏡に頻繁かつ迅速にアクセスできなければ、構造ベースのワクチン設計に入る作業の多くは不可能になるでしょう」と Acharya 氏は述べています。
彼女は、タンパク質はアミノ酸の長い鎖であり、それらの機能を定義する独特の形に折り畳まれると説明しました. たとえば、HIV では、HIV-1 エンベロープ (Env) タンパク質の独特な形状が、CD4 と呼ばれる受容体の結合部位を作成します。 「CD4に結合した後、Envの形状が変化し、追加の受容体に結合できるようになります」と彼女は言いました.
さらに経路を下ると、エンベロープの形状がさらに変化し、HIV がヒト細胞に侵入できるようになります。 これらの相互作用の視覚的モデルは、ワクチンを設計する方法を学ぶための鍵である、と Acharya は述べた。 「構造生物学により、生体分子の形状とダイナミクスを視覚化できるため、生体分子の機能とそれを変更する能力への窓が提供されます。」
©デューク大学医学部
