DURHAM – Vad är i form? Som det visar sig, mycket. Att förstå strukturerna hos proteiner och andra molekyler i extremt fina detaljer kan vara nyckeln till att ta reda på hur de fungerar. Och den kunskapen kan öppna dörren till utveckling av nya vacciner och läkemedel.
För att åstadkomma det har Duke-forskare tillgång till ett avancerat verktyg som kallas Cryogenic elektronmikroskopi (Cryo-EM), som snabbt skapar högupplösta bilder av de minsta bitarna av proteiner (på atomnivå).
Tre forskare vann Nobelpriset i kemi 2017 för banbrytande teknik. 2018 förvärvade och installerade Duke sin egen kryo-EM-maskin, tack vare finansiering från kanslern för hälsofrågor A. Eugene Washington, MD, sa Jennifer Foreman, biträdande dekan för grundläggande vetenskap vid School of Medicine.
Instrumentet kostade $8 till $10 miljoner att köpa och installera, inklusive renoveringar för att rymma det, säger Mark Walters, PhD, chef för Pratt School of Engineerings Shared Materials Instrumentation Facility, som rymmer och driver mikroskopet.
Läs vidare för att lära dig mer om Cryo-EM och hur det har blivit en arbetshäst i Duke Human Vaccine Institutes ansträngningar att skapa ett vaccin för HIV.
Duke tilldelade 27 miljoner USD federalt bidrag för att bygga strukturella modeller av HIV
Duke är hem för ett av bara fyra cryo-EM-instrument i Carolinas
National Institute of Environmental Health Sciences (NIEHS) i Research Triangle Park lanserade det första cryo-EM-instrumentet i North eller South Carolina 2017. Duke och University of North Carolina vid Chapel Hill följde snart efter. Duke's Thermo-Fisher Titan Krios Cryo Transmission Electron Microscope, en andra generationens modell, tar bilder med lite högre upplösning än de instrument som ursprungligen installerades på NIEHS och UNC-Chapel Hill, sa Walters.
I augusti 2022 distribuerade NIEHS sitt andra instrument, en Titan Krios som den hos Duke, sa Mario J. Borgnia, PhD, chef för Cryo-EM Core på NIEHS. Alla tre institutionerna är en del av Molecular Microscopy Consortium, baserat på NIEHS, som främjar användningen av kryo-EM och andra mikroskopiverktyg för att förstå molekylära strukturer på atomnivå och ger utbildning till forskare från dessa institutioner som vill använda dem i sitt arbete.
Duke vaccine institute landar kontrakt värt upp till $365 miljoner för potentiella behandlingar
Betydelsen av "cryo-EM"
"Cryo"-delen av mikroskopets namn betyder att det fryser proteinerna eller andra prover för att hålla deras strukturer intakta medan en elektronstråle träffar dem.
Elektronmikroskopi äger rum i ett vakuum, sa Walters, så om du försökte avbilda proverna vid rumstemperatur, "skulle de i princip kollapsa in i sig själva."
Maskinen samlar in data med antingen singelpartikelanalys, som tar tusentals bilder av renade proteiner i slumpmässiga orienteringar, eller tomografi, där bilder av större biologiska strukturer tas i olika lutningsvinklar, sa Walters. Forskare använder datorprogram för att stapla bilderna för att skapa högupplösta, tredimensionella modeller.
Åtta startups från Duke-fakultetens landfrö-anslag – här är de
Upptagna forskare, upptagen maskin
Dukes Cryo-EM-instrument körs nästan 7 dagar i veckan, 24 timmar om dygnet och tar så många som 5,000 XNUMX bilder per dag.
Anställd Nilakshee Bhattacharya, PhD, övervakar driften av maskinen och utbildar forskare i dess användning. Den höga efterfrågan innebär att kostnaden för forskare - $55 per timme - är relativt låg, sa Walters. En handfull forskargrupper i School of Medicine är tunga användare, de flesta av dem inom Institutionen för biokemi och Duke Human Vaccine Institute. Nobelpristagaren Robert Lefkowitz, MD, James B. Duke Distinguished Professor of Medicine, använder mikroskopet ofta och var en av förespråkarna för att föra kryo-EM till Duke.
Duke rapporterar $90 miljoner från startlicensavgifter, hjälper till att lansera 13 nya veturer
Cryo-EM avgörande för potentiell utveckling av HIV-vaccin hos Duke
Cryo-EM är avgörande i Duke Human Vaccine Institutes strävan att utveckla ett vaccin mot HIV.
Mikroskopet har tagit över som den huvudsakliga metoden som Priyamvada Acharya, PhD, chef för Dukes nya federalt finansierade Center for HIV Structural Biology, använder för att förstå strukturer relaterade till HIV.
"Utan frekvent och enkel tillgång till ett avancerade mikroskop som kan samla in data som tillåter oss att lösa detaljer på atomnivå, skulle mycket av arbetet som går till strukturbaserad vaccindesign inte vara möjligt," sa Acharya.
Hon förklarade att proteiner är långa kedjor av aminosyror som viker sig till en distinkt form som definierar deras funktion. Med HIV, till exempel, skapar den unika formen av HIV-1 Envelope (Env) proteinet ett bindningsställe för en receptor som kallas CD4. "Efter bindning till CD4 ändras formen på Env, vilket gör att den kan binda ytterligare receptorer," sa hon.
Längre ner på vägen gör fler förändringar i höljets form hiv att tränga in i mänskliga celler. Visuella modeller av dessa interaktioner är nyckeln till att lära sig hur man designar ett vaccin, sa Acharya. "Strukturbiologi tillåter oss att visualisera formen och dynamiken hos biomolekyler, vilket ger ett fönster till deras funktion och förmågan att förändra den."
© Duke University School of Medicine
