DURHAM – Wat zit er in een vorm? Zoals blijkt, veel. Het tot in detail begrijpen van de structuren van eiwitten en andere moleculen kan de sleutel zijn om erachter te komen hoe ze werken. En die kennis kan de deur openen naar de ontwikkeling van nieuwe vaccins en therapieën.
Om dat te bereiken, hebben Duke-onderzoekers toegang tot een geavanceerd hulpmiddel genaamd Cryogene elektronenmicroscopie (Cryo-EM), dat snel afbeeldingen met hoge resolutie maakt van de kleinste stukjes eiwitten (op atomair niveau).
Drie onderzoekers wonnen in 2017 de Nobelprijs voor de Scheikunde voor het pionieren van de techniek. In 2018 kocht en installeerde Duke zijn eigen cryo-EM-machine, dankzij financiering van kanselier voor gezondheidszaken A. Eugene Washington, MD, zei Jennifer Foreman, assistent-decaan voor basiswetenschappen aan de School of Medicine.
Het instrument kostte $ 8 tot $ 10 miljoen om te kopen en te installeren, inclusief renovaties om het te huisvesten, zei Mark Walters, PhD, directeur van de Pratt School of Engineering's Shared Materials Instrumentation Facility, die de microscoop huisvest en bestuurt.
Lees verder om meer te weten te komen over Cryo-EM en hoe het een werkpaard is geworden in de inspanningen van het Duke Human Vaccine Institute om maak een vaccin voor HIV.
Duke kent federale subsidie van $ 27 miljoen toe om structurele modellen van hiv te bouwen
Duke is de thuisbasis van een van de slechts vier cryo-EM-instrumenten in de Carolinas
Het National Institute of Environmental Health Sciences (NIEHS) in Research Triangle Park lanceerde in 2017 het eerste cryo-EM-instrument in North of South Carolina. Duke en de University of North Carolina in Chapel Hill volgden al snel. Duke's Thermo-Fisher Titan Krios Cryo Transmission Electron Microscope, een model van de tweede generatie, maakt beelden met een iets hogere resolutie dan de instrumenten die oorspronkelijk waren geïnstalleerd bij NIEHS en UNC-Chapel Hill, zei Walters.
In augustus 2022 zette NIEHS zijn tweede instrument in, een Titan Krios zoals die bij Duke, zei Mario J. Borgnia, PhD, directeur van de Cryo-EM Core bij NIEHS. Alle drie de instellingen maken deel uit van de Consortium voor moleculaire microscopie, gebaseerd op NIEHS, dat het gebruik van cryo-EM en andere microscopie-instrumenten promoot om moleculaire structuren op atomair niveau te begrijpen en training geeft aan onderzoekers van deze instellingen die ze in hun werk willen gebruiken.
Betekenis van "cryo-EM"
Het "cryo"-gedeelte van de naam van de microscoop betekent dat het de eiwitten of andere exemplaren bevriest om hun structuren intact te houden terwijl een elektronenstraal ze raakt.
Elektronenmicroscopie vindt plaats in een vacuüm, zei Walters, dus als je de monsters bij kamertemperatuur probeert af te beelden, "zouden ze in feite instorten."
De machine verzamelt gegevens met behulp van analyse van één enkele deeltjes, waarbij duizenden afbeeldingen van gezuiverde eiwitten in willekeurige oriëntaties worden gemaakt, of tomografie, waarbij afbeeldingen van grotere biologische structuren onder verschillende kantelhoeken worden genomen, zei Walters. Onderzoekers gebruiken computersoftware om de afbeeldingen te stapelen om driedimensionale modellen met een hoge resolutie te maken.
Acht startups van landseedbeurzen van de Duke-faculteit - hier zijn ze
Drukke onderzoekers, drukke machine
Duke's Cryo-EM-instrument werkt bijna 7 dagen per week, 24 uur per dag en maakt maar liefst 5,000 beelden per dag.
Staflid Nilakshee Bhattacharya, PhD, houdt toezicht op de werking van de machine en leidt onderzoekers op in het gebruik ervan. De grote vraag betekent dat de kosten voor onderzoekers - $ 55 per uur - relatief laag zijn, zei Walters. Een handvol onderzoeksgroepen in de School of Medicine zijn zware gebruikers, de meeste in de afdeling Biochemie en het Duke Human Vaccine Institute. Nobelprijswinnaar Robert Lefkowitz, MD, James B. Duke Distinguished Professor of Medicine, gebruikt de microscoop vaak en was een van de pleitbezorgers voor het brengen van cryo-EM naar Duke.
Duke meldt $ 90 miljoen aan opstartlicenties, helpt bij het lanceren van 13 nieuwe vetures
Cryo-EM cruciaal voor mogelijke ontwikkeling van hiv-vaccins bij Duke
Cryo-EM is cruciaal in de zoektocht van het Duke Human Vaccine Institute om een vaccin tegen hiv te ontwikkelen.
De microscoop is de belangrijkste methode geworden die Priyamvada Acharya, PhD, directeur van Duke's nieuwe federaal gefinancierde centrum voor structurele hiv-biologie, gebruikt om structuren met betrekking tot hiv te begrijpen.
"Zonder frequente en gemakkelijke toegang tot een hoogwaardige microscoop die gegevens kan verzamelen die ons in staat stellen om details op atomair niveau op te lossen, zou veel van het werk dat wordt gedaan in op structuur gebaseerd vaccinontwerp niet mogelijk zijn", zei Acharya.
Ze legde uit dat eiwitten lange ketens van aminozuren zijn die zich in een aparte vorm vouwen die hun functie definieert. Met HIV, bijvoorbeeld, creëert de unieke vorm van het HIV-1 Envelope (Env) eiwit een bindingsplaats voor een receptor genaamd CD4. "Na binding aan CD4 verandert de vorm van de Env, waardoor het extra receptoren kan binden," zei ze.
Verderop in het traject zorgen meer veranderingen in de vorm van de envelop ervoor dat HIV menselijke cellen kan binnendringen. Visuele modellen van deze interacties zijn de sleutel tot het leren ontwerpen van een vaccin, zei Acharya. "Structurele biologie stelt ons in staat om de vorm en dynamiek van biomoleculen te visualiseren, waardoor we een venster krijgen op hun functie en het vermogen om deze te veranderen."
© Duke University School of Medicine
