Как исследователи Дьюка используют машину стоимостью 10 миллионов долларов для развития науки и разработки вакцин

ДУРХАМ - Что в форме? Как оказалось, много. Понимание структуры белков и других молекул в мельчайших деталях может стать ключом к выяснению того, как они работают. И эти знания могут открыть дверь для разработки новых вакцин и терапевтических средств.

Для этого у исследователей Дьюка есть доступ к передовому инструменту под названием криогенная электронная микроскопия (Крио-ЭМ), который быстро создает изображения с высоким разрешением мельчайших кусочков белков (на атомном уровне).

Трое исследователей получили Нобелевскую премию по химии 2017 года за новаторство в этой методике. В 2018 году Duke приобрел и установил собственный крио-ЭМ-аппарат благодаря финансированию канцлера по вопросам здравоохранения А. Юджина Вашингтона, доктора медицины, сказала Дженнифер Форман, помощник декана по фундаментальным наукам в Медицинской школе.

Инструмент стоил от 8 до 10 миллионов долларов на покупку и установку, включая ремонт для его размещения, сказал Марк Уолтерс, доктор философии, директор Инструментального центра общих материалов Школы инженерии Пратта, в котором находится и управляется микроскоп.

Читайте дальше, чтобы узнать больше о Крио-ЭМ и о том, как он стал рабочей лошадкой в ​​усилиях Института вакцин для человека Дьюка по создать вакцину для ВИЧ.

Дьюк получил федеральный грант в размере 27 миллионов долларов на создание структурных моделей ВИЧ

В Герцоге находится один из четырех крио-ЭМ-приборов в Каролине.

Национальный институт наук об окружающей среде (NIEHS) в Research Triangle Park запустил первый крио-ЭМ-прибор в Северной или Южной Каролине в 2017 году. Дьюк и Университет Северной Каролины в Чапел-Хилл вскоре последовали его примеру. По словам Уолтерса, трансмиссионный электронный микроскоп Duke Thermo-Fisher Titan Krios Cryo, модель второго поколения, делает изображения с немного более высоким разрешением, чем инструменты, первоначально установленные в NIEHS и UNC-Chapel Hill.

В августе 2022 года NIEHS развернула свой второй инструмент, Titan Krios, подобный тому, что используется в Duke, сказал Марио Дж. Боргния, доктор философии, директор Cryo-EM Core в NIEHS. Все три учреждения являются частью Консорциум молекулярной микроскопии, основанный в NIEHS, который продвигает использование крио-ЭМ и других инструментов микроскопии для понимания молекулярных структур на атомном уровне и обеспечивает обучение исследователей из этих учреждений, которые хотят использовать их в своей работе.

Институт вакцин Дьюка заключает контракт на сумму до 365 миллионов долларов на потенциальное лечение

Значение «крио-ЭМ»

«Крио» часть названия микроскопа означает, что он замораживает белки или другие образцы, чтобы сохранить их структуру неповрежденной, когда на них попадает пучок электронов.

По словам Уолтерса, электронная микроскопия проводится в вакууме, поэтому, если вы попытаетесь получить изображения образцов при комнатной температуре, «они в основном схлопнутся сами по себе».

По словам Уолтерса, машина собирает данные либо с помощью анализа отдельных частиц, который делает тысячи изображений очищенных белков в произвольной ориентации, либо с помощью томографии, при которой изображения более крупных биологических структур делаются под разными углами наклона. Исследователи используют компьютерное программное обеспечение для объединения изображений в трехмерные модели с высоким разрешением.

Восемь стартапов, получивших гранты факультета Дьюка на посевную землю — вот они

Занятые исследователи, занятая машина

Прибор Duke Cryo-EM работает почти 7 дней в неделю, 24 часа в сутки, делая до 5,000 изображений в день.

Сотрудник Нилакши Бхаттачарья, доктор философии, наблюдает за работой машины и обучает исследователей ее использованию. По словам Уолтерса, высокий спрос означает, что затраты на исследователей — 55 долларов в час — относительно низкие. Горстка исследовательских групп Медицинской школы является активными пользователями, большинство из них на кафедре биохимии и в Институте человеческих вакцин Дьюка. Лауреат Нобелевской премии Роберт Лефковиц, доктор медицинских наук, почетный профессор медицины имени Джеймса Б. Дьюка, часто использует микроскоп и был одним из сторонников внедрения крио-ЭМ в Дюк.

Duke сообщает о 90 миллионах долларов от лицензионных сборов за запуск, помогает запустить 13 новых предприятий

Крио-ЭМ имеет решающее значение для потенциальной разработки вакцины против ВИЧ в Университете Дьюка

Крио-ЭМ имеет решающее значение в стремлении Института человеческих вакцин Дьюка разработать вакцину против ВИЧ.

Микроскоп стал основным методом, который Приямвада Ачарья, доктор философии, директор нового Центра структурной биологии ВИЧ, финансируемого Дьюком, использует для понимания структур, связанных с ВИЧ.

«Без частого и легкого доступа к высокопроизводительному микроскопу, способному собирать данные, которые позволяют нам различать детали атомного уровня, большая часть работы, связанной с разработкой структурной вакцины, была бы невозможна», — сказал Ачарья.

Она объяснила, что белки представляют собой длинные цепочки аминокислот, которые складываются в определенную форму, определяющую их функцию. Например, при ВИЧ уникальная форма белка оболочки ВИЧ-1 (Env) создает сайт связывания для рецептора, называемого CD4. «После связывания с CD4 форма Env меняется, позволяя ему связываться с дополнительными рецепторами», — сказала она.

Дальнейшие изменения формы оболочки позволяют ВИЧ проникать в клетки человека. По словам Ачарьи, визуальные модели этих взаимодействий являются ключом к обучению разработке вакцины. «Структурная биология позволяет нам визуализировать форму и динамику биомолекул, тем самым открывая окно в их функцию и способность изменять ее».

© Медицинская школа Университета Дьюка