Como os pesquisadores da Duke estão usando uma máquina de US $ 10 milhões para avançar na ciência e no desenvolvimento de vacinas

DURHAM - O que está em uma forma? Como se vê, muito. Compreender as estruturas de proteínas e outras moléculas em detalhes extremamente finos pode ser a chave para descobrir como elas funcionam. E esse conhecimento pode abrir as portas para o desenvolvimento de novas vacinas e terapêuticas.

Para conseguir isso, os pesquisadores da Duke têm acesso a uma ferramenta avançada chamada microscopia eletrônica criogênica (Cryo-EM), que cria rapidamente imagens de alta resolução dos menores pedaços de proteínas (no nível atômico).

Três pesquisadores ganharam o Prêmio Nobel de Química de 2017 pelo pioneirismo da técnica. Em 2018, a Duke adquiriu e instalou sua própria máquina crio-EM, graças ao financiamento do Chanceler para Assuntos de Saúde A. Eugene Washington, MD, disse Jennifer Foreman, reitor assistente de ciências básicas da Escola de Medicina.

O instrumento custou de US$ 8 a US$ 10 milhões para comprar e instalar, incluindo reformas para acomodá-lo, disse Mark Walters, PhD, diretor da Pratt School of Engineering's Shared Materials Instrumentation Facility, que abriga e opera o microscópio.

Continue lendo para saber mais sobre o Cryo-EM e como ele se tornou um cavalo de batalha nos esforços do Duke Human Vaccine Institute para criar uma vacina para o HIV.

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Duke é o lar de um dos quatro instrumentos crio-EM nas Carolinas

O Instituto Nacional de Ciências da Saúde Ambiental (NIEHS) em Research Triangle Park lançou o primeiro instrumento crio-EM na Carolina do Norte ou do Sul em 2017. Duke e a Universidade da Carolina do Norte em Chapel Hill logo seguiram o exemplo. O Microscópio Eletrônico de Transmissão Cryo Thermo-Fisher Titan Krios da Duke, um modelo de segunda geração, tira imagens com uma resolução um pouco maior do que os instrumentos originalmente instalados no NIEHS e UNC-Chapel Hill, disse Walters.

Em agosto de 2022, o NIEHS implantou seu segundo instrumento, um Titan Krios como o da Duke, disse Mario J. Borgnia, PhD, diretor do Cryo-EM Core no NIEHS. As três instituições fazem parte do Consórcio de Microscopia Molecular, sediado no NIEHS, que promove o uso de crio-EM e outras ferramentas de microscopia para entender estruturas moleculares em nível atômico e oferece treinamento para pesquisadores dessas instituições que desejam usá-los em seus trabalhos.

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Significado de "crio-EM"

A parte “crio” do nome do microscópio significa que ele congela as proteínas ou outros espécimes para manter suas estruturas intactas enquanto um feixe de elétrons os atinge.

A microscopia eletrônica ocorre dentro de um vácuo, disse Walters, então, se você tentasse visualizar os espécimes à temperatura ambiente, “eles basicamente entrariam em colapso sobre si mesmos”.

A máquina coleta dados usando análise de partícula única, que tira milhares de imagens de proteínas purificadas em orientações aleatórias, ou tomografia, na qual imagens de estruturas biológicas maiores são tiradas em vários ângulos de inclinação, disse Walters. Os pesquisadores usam software de computador para empilhar as imagens para criar modelos tridimensionais de alta resolução.

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Pesquisadores ocupados, máquina ocupada

O instrumento Cryo-EM da Duke funciona quase 7 dias por semana, 24 horas por dia, tirando até 5,000 imagens por dia.

O membro da equipe Nilakshee Bhattacharya, PhD, supervisiona a operação da máquina e treina pesquisadores em seu uso. A alta demanda significa que o custo para os pesquisadores – US$ 55 por hora – é relativamente baixo, disse Walters. Um punhado de grupos de pesquisa na Faculdade de Medicina são usuários pesados, a maioria deles no Departamento de Bioquímica e no Duke Human Vaccine Institute. O vencedor do Prêmio Nobel Robert Lefkowitz, MD, James B. Duke Distinguished Professor of Medicine, usa o microscópio com freqüência e foi um dos defensores de trazer crio-EM para Duke.

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Cryo-EM é crucial para o desenvolvimento potencial de vacinas contra o HIV na Duke

Cryo-EM é crucial na busca do Duke Human Vaccine Institute para desenvolver uma vacina para o HIV.

O microscópio assumiu como o principal método que Priyamvada Acharya, PhD, diretor do novo Centro de Biologia Estrutural do HIV da Duke, financiado pelo governo federal, usa para entender as estruturas relacionadas ao HIV.

“Sem acesso frequente e pronto a um microscópio de ponta capaz de coletar dados que nos permitem resolver detalhes de nível atômico, grande parte do trabalho que entra no design de vacinas baseado em estrutura não seria possível”, disse Acharya.

Ela explicou que as proteínas são longas cadeias de aminoácidos que se dobram em uma forma distinta que define sua função. Com o HIV, por exemplo, a forma única da proteína HIV-1 Envelope (Env) cria um sítio de ligação para um receptor chamado CD4. “Após a ligação ao CD4, a forma do Env muda, permitindo que ele se ligue a receptores adicionais”, disse ela.

Mais adiante no caminho, mais mudanças na forma do envelope permitem que o HIV entre nas células humanas. Modelos visuais dessas interações são fundamentais para aprender a projetar uma vacina, disse Acharya. “A biologia estrutural nos permite visualizar a forma e a dinâmica das biomoléculas, fornecendo assim uma janela para sua função e a capacidade de alterá-la”.

© Escola de Medicina da Universidade Duke