더럼 – 모양이 무엇입니까? 결과적으로 많이. 단백질 및 기타 분자의 구조를 극도로 세밀하게 이해하는 것은 이들이 어떻게 작동하는지 알아내는 데 핵심이 될 수 있습니다. 그리고 그 지식은 새로운 백신과 치료제 개발의 문을 열 수 있습니다.
이를 달성하기 위해 Duke 연구원들은 초저온 전자 현미경(Cryo-EM)이라는 고급 도구에 액세스할 수 있습니다. 이 도구는 단백질의 가장 작은 조각(원자 수준에서)의 고해상도 이미지를 빠르게 생성합니다.
2017명의 연구원이 이 기술을 개척한 공로로 2018년 노벨 화학상을 수상했습니다. XNUMX년 Duke는 보건부 장관 A. Eugene Washington, MD의 자금 지원 덕분에 자체 cryo-EM 기계를 구입하여 설치했다고 의과대학의 기초 과학 부학장인 Jennifer Foreman이 말했습니다.
현미경을 수용하고 운영하는 Pratt 공과대학의 Shared Materials Instrumentation Facility 책임자인 Mark Walters 박사는 이 장비를 구입하고 설치하는 데 8만 달러에서 10만 달러의 비용이 들었다고 말했습니다.
Cryo-EM에 대해 자세히 알아보고 그것이 Duke Human Vaccine Institute의 노력에서 어떻게 일꾼이 되었는지 알아보십시오. 백신을 만들다 HIV.
듀크는 캐롤라이나에 있는 단 XNUMX개의 cryo-EM 장비 중 하나의 본거지입니다.
Research Triangle Park의 NIEHS(National Institute of Environmental Health Sciences)는 2017년 노스캐롤라이나 또는 사우스캐롤라이나에서 최초의 cryo-EM 기기를 출시했습니다. Duke와 University of North Carolina at Chapel Hill이 곧 그 뒤를 따랐습니다. Duke의 Thermo-Fisher Titan Krios Cryo Transmission Electron Microscope는 XNUMX세대 모델로 NIEHS와 UNC-Chapel Hill에 원래 설치된 기기보다 약간 더 높은 해상도로 이미지를 촬영한다고 Walters는 말했습니다.
2022년 XNUMX월 NIEHS는 Duke에 있는 것과 같은 Titan Krios라는 두 번째 장비를 배치했다고 NIEHS의 Cryo-EM Core 책임자인 Mario J. Borgnia 박사가 말했습니다. XNUMX개 기관 모두 소속 분자 현미경 컨소시엄, 원자 수준에서 분자 구조를 이해하기 위해 cryo-EM 및 기타 현미경 도구의 사용을 촉진하고 작업에 사용하려는 이러한 기관의 연구원에게 교육을 제공하는 NIEHS에 기반을 두고 있습니다.
"cryo-EM"의 의미
현미경 이름의 "냉동(cryo)" 부분은 전자빔이 부딪히는 동안 구조를 그대로 유지하기 위해 단백질이나 다른 표본을 동결한다는 것을 의미합니다.
Walters는 전자현미경은 진공 내부에서 이루어지기 때문에 실온에서 표본을 이미지화하려고 하면 "그들은 기본적으로 자체적으로 붕괴될 것"이라고 말했습니다.
이 기계는 임의의 방향으로 수천 개의 정제된 단백질 이미지를 촬영하는 단일 입자 분석 또는 다양한 기울기 각도에서 더 큰 생물학적 구조의 이미지를 촬영하는 단층 촬영을 사용하여 데이터를 수집한다고 Walters는 말했습니다. 연구자들은 컴퓨터 소프트웨어를 사용하여 이미지를 쌓아 고해상도의 XNUMX차원 모델을 만듭니다.
바쁜 연구원, 바쁜 기계
Duke의 Cryo-EM 기기는 거의 일주일 내내, 하루 7시간 가동되며 하루에 24개의 이미지를 촬영합니다.
직원 Nilakshee Bhattacharya 박사는 기계 작동을 감독하고 연구원들에게 사용 방법을 교육합니다. 수요가 많다는 것은 연구원의 비용(시간당 55달러)이 상대적으로 낮다는 것을 의미한다고 Walters는 말했습니다. 의과 대학의 몇몇 연구 그룹은 대량 사용자이며, 대부분은 생화학과와 Duke Human Vaccine Institute에 있습니다. 노벨상 수상자 Robert Lefkowitz, MD, James B. Duke 저명한 의학 교수는 현미경을 자주 사용하며 Duke에 cryo-EM 도입을 지지한 사람 중 한 명입니다.
Duke의 잠재적인 HIV 백신 개발에 중요한 Cryo-EM
Cryo-EM은 듀크 인간 백신 연구소(Duke Human Vaccine Institute)의 HIV 백신 개발에 있어 매우 중요합니다.
현미경은 HIV 구조 생물학을 위한 Duke의 새로운 연방 자금 지원 센터의 책임자인 Priyamvada Acharya 박사가 HIV와 관련된 구조를 이해하는 데 사용하는 주요 방법으로 채택되었습니다.
Acharya는 "원자 수준의 세부 사항을 해결할 수 있는 데이터를 수집할 수 있는 고급 현미경에 자주 그리고 즉시 액세스하지 않으면 구조 기반 백신 설계에 들어가는 많은 작업이 불가능할 것"이라고 말했습니다.
그녀는 단백질이 기능을 정의하는 뚜렷한 모양으로 접히는 아미노산의 긴 사슬이라고 설명했습니다. 예를 들어, HIV의 경우 HIV-1 Envelope(Env) 단백질의 독특한 모양이 CD4라는 수용체의 결합 부위를 만듭니다. "CD4에 결합한 후 Env의 모양이 바뀌어 추가 수용체에 결합할 수 있습니다."라고 그녀는 말했습니다.
경로를 따라 더 내려가면 엔벨로프 모양의 더 많은 변화로 인해 HIV가 인간 세포에 들어갈 수 있습니다. 이러한 상호 작용의 시각적 모델은 백신 설계 방법을 배우는 데 핵심이라고 Acharya는 말했습니다. "구조 생물학을 통해 우리는 생체 분자의 모양과 역학을 시각화할 수 있으므로 기능과 기능을 변경할 수 있는 창을 제공합니다."
© 듀크대학교 의과대학
