DURHAM – Hva er i form? Som det viser seg, mye. Å forstå strukturene til proteiner og andre molekyler i ekstremt fine detaljer kan være nøkkelen til å finne ut hvordan de fungerer. Og den kunnskapen kan åpne døren for utvikling av nye vaksiner og terapeutika.
For å oppnå det har Duke-forskere tilgang til et avansert verktøy kalt Cryogenic elektronmikroskopi (Cryo-EM), som raskt lager høyoppløselige bilder av de minste bitene av proteiner (på atomnivå).
Tre forskere vant Nobelprisen i kjemi i 2017 for å være banebrytende med teknikken. I 2018 kjøpte og installerte Duke sin egen kryo-EM-maskin, takket være finansiering fra kansler for helsesaker A. Eugene Washington, MD, sa Jennifer Foreman, assisterende dekan for grunnleggende vitenskap ved School of Medicine.
Instrumentet kostet $8 til $10 millioner å kjøpe og installere, inkludert renoveringer for å imøtekomme det, sa Mark Walters, PhD, direktør for Pratt School of Engineerings Shared Materials Instrumentation Facility, som huser og driver mikroskopet.
Les videre for å lære mer om Cryo-EM og hvordan det har blitt en arbeidshest i Duke Human Vaccine Institutes innsats for å lage en vaksine for hiv.
Duke tildelte 27 millioner dollar føderalt tilskudd for å bygge strukturelle modeller av HIV
Duke er hjemmet til ett av bare fire cryo-EM-instrumenter i Carolinas
National Institute of Environmental Health Sciences (NIEHS) i Research Triangle Park lanserte det første cryo-EM-instrumentet i North eller South Carolina i 2017. Duke og University of North Carolina ved Chapel Hill fulgte snart etter. Duke's Thermo-Fisher Titan Krios Cryo Transmission Electron Microscope, en andregenerasjons modell, tar bilder med litt høyere oppløsning enn instrumentene som opprinnelig ble installert på NIEHS og UNC-Chapel Hill, sa Walters.
I august 2022 distribuerte NIEHS sitt andre instrument, en Titan Krios som den hos Duke, sa Mario J. Borgnia, PhD, direktør for Cryo-EM Core ved NIEHS. Alle tre institusjonene er en del av Molekylær mikroskopi konsortium, basert på NIEHS, som fremmer bruken av kryo-EM og andre mikroskopiverktøy for å forstå molekylære strukturer på atomnivå og gir opplæring til forskere fra disse institusjonene som ønsker å bruke dem i sitt arbeid.
Duke vaksineinstituttet lander kontrakt verdt opptil $365 millioner for potensielle behandlinger
Betydningen av "cryo-EM"
"Cryo"-delen av mikroskopets navn betyr at det fryser proteinene eller andre prøver for å holde strukturene deres intakte mens en stråle av elektroner treffer dem.
Elektronmikroskopi foregår inne i et vakuum, sa Walters, så hvis du prøvde å avbilde prøvene ved romtemperatur, "ville de i utgangspunktet kollapse inn i seg selv."
Maskinen samler inn data ved å bruke enten enkeltpartikkelanalyse, som tar tusenvis av bilder av rensede proteiner i tilfeldige orienteringer, eller tomografi, der bilder av større biologiske strukturer tas i forskjellige tiltvinkler, sa Walters. Forskere bruker dataprogramvare for å stable bildene for å lage tredimensjonale modeller med høy oppløsning.
Åtte startups fra Duke-fakultetets landfrøstipend – her er de
Travle forskere, travel maskin
Dukes Cryo-EM-instrument kjører nesten 7 dager i uken, 24 timer i døgnet, og tar så mange som 5,000 bilder per dag.
Ansatt Nilakshee Bhattacharya, PhD, overvåker driften av maskinen og trener forskere i bruken av den. Den høye etterspørselen betyr at kostnadene for forskere - $55 per time - er relativt lave, sa Walters. En håndfull forskergrupper ved School of Medicine er storbrukere, de fleste av dem i Institutt for biokjemi og Duke Human Vaccine Institute. Nobelprisvinner Robert Lefkowitz, MD, James B. Duke Distinguished Professor of Medicine, bruker mikroskopet ofte og var en av talsmennene for å bringe kryo-EM til Duke.
Duke rapporterer $90 millioner fra oppstartslisensavgifter, hjelper med å lansere 13 nye veturer
Cryo-EM avgjørende for potensiell HIV-vaksineutvikling hos Duke
Cryo-EM er avgjørende i Duke Human Vaccine Institutes søken etter å utvikle en vaksine mot HIV.
Mikroskopet har tatt over som hovedmetoden som Priyamvada Acharya, PhD, direktør for Dukes nye føderalt finansierte Center for HIV Structural Biology, bruker for å forstå strukturer relatert til HIV.
"Uten hyppig og lett tilgang til et avansert mikroskop som er i stand til å samle inn data som lar oss løse detaljer på atomnivå, ville mye av arbeidet som går inn i strukturbasert vaksinedesign ikke vært mulig," sa Acharya.
Hun forklarte at proteiner er lange kjeder av aminosyrer som foldes til en distinkt form som definerer funksjonen deres. Med HIV, for eksempel, skaper den unike formen til HIV-1 Envelope (Env) proteinet et bindingssted for en reseptor kalt CD4. "Etter binding til CD4 endres formen på Env, slik at den kan binde flere reseptorer," sa hun.
Lenger nede i stien lar flere endringer i konvoluttens form HIV komme inn i menneskelige celler. Visuelle modeller av disse interaksjonene er nøkkelen til å lære å designe en vaksine, sa Acharya. "Strukturbiologi lar oss visualisere formen og dynamikken til biomolekyler, og gir dermed et vindu inn i deres funksjon og muligheten til å endre den."
© Duke University School of Medicine
