DUHAM – Co jest w formie? Jak się okazuje, dużo. Zrozumienie bardzo szczegółowych struktur białek i innych molekuł może być kluczem do poznania ich działania. A ta wiedza może otworzyć drzwi do rozwoju nowych szczepionek i leków.
Aby to osiągnąć, naukowcy z Duke mają dostęp do zaawansowanego narzędzia zwanego Kriogeniczną mikroskopią elektronową (Cryo-EM), które szybko tworzy obrazy w wysokiej rozdzielczości najmniejszych fragmentów białek (na poziomie atomowym).
Trzech badaczy zdobyło Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii 2017 za pionierską technikę. W 2018 roku Duke nabył i zainstalował własną maszynę krio-EM, dzięki funduszom od kanclerza ds. zdrowia A. Eugene Washingtona, MD, powiedziała Jennifer Foreman, prodziekan ds. podstawowych nauk w School of Medicine.
Przyrząd kosztował od 8 do 10 milionów dolarów na zakup i instalację, w tym remonty, aby go dostosować, powiedział dr Mark Walters, dyrektor Centrum Instrumentacji Materiałów Wspólnych Pratt School of Engineering, w którym mieści się i obsługuje mikroskop.
Czytaj dalej, aby dowiedzieć się więcej o Cryo-EM i o tym, jak stał się koniem roboczym w wysiłkach Duke Human Vaccine Institute na rzecz stworzyć szczepionkę na HIV.
Duke jest domem dla jednego z zaledwie czterech instrumentów krio-EM w Karolinie
Narodowy Instytut Nauk o Zdrowiu Środowiskowym (NIEHS) w Research Triangle Park uruchomił pierwszy instrument krio-EM w Północnej lub Południowej Karolinie w 2017 roku. Wkrótce w ich ślady poszli Duke i Uniwersytet Północnej Karoliny w Chapel Hill. Walters powiedział, że transmisyjny mikroskop elektronowy firmy Duke's Thermo-Fisher Titan Krios Cryo, model drugiej generacji, wykonuje zdjęcia w nieco wyższej rozdzielczości niż instrumenty oryginalnie zainstalowane w NIEHS i UNC-Chapel Hill.
W sierpniu 2022 r. NIEHS wdrożył swój drugi instrument, Titan Krios, taki jak ten w Duke, powiedział dr Mario J. Borgnia, dyrektor Cryo-EM Core w NIEHS. Wszystkie trzy instytucje są częścią Konsorcjum Mikroskopii Molekularnej, z siedzibą w NIEHS, która promuje wykorzystanie krio-EM i innych narzędzi mikroskopowych do zrozumienia struktur molekularnych na poziomie atomowym oraz zapewnia szkolenie badaczom z tych instytucji, którzy chcą je wykorzystać w swojej pracy.
Instytut Szczepionek Duke'a posiada kontrakt o wartości do 365 mln USD na potencjalne leczenie
Znaczenie „krio-EM”
Część „krio” w nazwie mikroskopu oznacza, że zamraża on białka lub inne próbki, aby zachować ich struktury nienaruszone, gdy uderza w nie wiązka elektronów.
Mikroskopia elektronowa odbywa się w próżni, powiedział Walters, więc jeśli spróbujesz zobrazować próbki w temperaturze pokojowej, „w zasadzie zapadną się same”.
Maszyna zbiera dane za pomocą analizy pojedynczych cząstek, która wykonuje tysiące obrazów oczyszczonych białek w losowych orientacjach, lub tomografii, w której obrazy większych struktur biologicznych są wykonywane pod różnymi kątami nachylenia, powiedział Walters. Naukowcy używają oprogramowania komputerowego do układania obrazów w stosy w celu tworzenia trójwymiarowych modeli o wysokiej rozdzielczości.
Osiem startupów z dotacji na nasiona wydziału Duke – oto one
Zajęci badacze, zajęta maszyna
Instrument Cryo-EM firmy Duke działa prawie 7 dni w tygodniu, 24 godziny na dobę, wykonując aż 5,000 zdjęć dziennie.
Członek personelu, dr Nilakshee Bhattacharya, nadzoruje działanie maszyny i szkoli naukowców w jej obsłudze. Wysoki popyt oznacza, że koszt dla naukowców – 55 dolarów za godzinę – jest stosunkowo niski, powiedział Walters. Garstka grup badawczych w Szkole Medycznej jest nałogowymi użytkownikami, większość z nich w Departamencie Biochemii i Instytucie Szczepionek Ludzkich Duke'a. Laureat Nagrody Nobla Robert Lefkowitz, MD, James B. Duke Distinguished Professor of Medicine, często używa mikroskopu i był jednym z orędowników wprowadzenia krio-EM do Duke'a.
Duke zgłasza 90 mln USD z opłat licencyjnych na start, pomaga uruchomić 13 nowych veture
Cryo-EM ma kluczowe znaczenie dla potencjalnego opracowania szczepionki przeciwko HIV w firmie Duke
Cryo-EM ma kluczowe znaczenie w dążeniu Duke Human Vaccine Institute do opracowania szczepionki na HIV.
Mikroskop stał się główną metodą, którą dr Priyamvada Acharya, dyrektor nowego, finansowanego przez władze federalne Centrum Biologii Strukturalnej HIV, używa do zrozumienia struktur związanych z HIV.
„Bez częstego i łatwego dostępu do wysokiej klasy mikroskopu zdolnego do zbierania danych, które pozwalają nam rozwiązywać szczegóły na poziomie atomowym, większość prac związanych z projektowaniem szczepionek opartych na strukturze nie byłaby możliwa” – powiedział Acharya.
Wyjaśniła, że białka to długie łańcuchy aminokwasów, które zwijają się w wyraźny kształt, który określa ich funkcję. Na przykład w przypadku wirusa HIV unikalny kształt białka koperty HIV-1 (Env) tworzy miejsce wiązania receptora zwanego CD4. „Po związaniu z CD4 kształt Env zmienia się, umożliwiając mu wiązanie dodatkowych receptorów” – powiedziała.
Dalej na ścieżce, więcej zmian w kształcie otoczki umożliwia wirusowi HIV wnikanie do ludzkich komórek. Wizualne modele tych interakcji są kluczem do nauki projektowania szczepionki, powiedział Acharya. „Biologia strukturalna pozwala nam zwizualizować kształt i dynamikę biomolekuł, zapewniając w ten sposób wgląd w ich funkcję i możliwość jej zmiany”.
© Szkoła Medyczna Uniwersytetu Duke'a
