ДАРЕМ – Що у формі? Як виявилося, чимало. Розуміння структур білків та інших молекул у надзвичайно дрібних деталях може бути ключовим для з’ясування того, як вони працюють. І ці знання можуть відкрити двері для розробки нових вакцин і терапевтичних засобів.
Щоб досягти цього, дослідники Дьюка мають доступ до передового інструменту під назвою Кріогенна електронна мікроскопія (Cryo-EM), який швидко створює зображення з високою роздільною здатністю найдрібніших шматочків білків (на атомному рівні).
Троє дослідників отримали Нобелівську премію з хімії 2017 року за новаторство цієї методики. У 2018 році компанія Duke придбала та встановила власну кріо-ЕМ машину завдяки фінансуванню канцлера з питань охорони здоров’я А. Юджина Вашингтона, доктора медичних наук, сказала Дженніфер Форман, помічник декана з фундаментальних наук Школи медицини.
Придбання та встановлення приладу коштувало від 8 до 10 мільйонів доларів США, включаючи реконструкцію для його розміщення, сказав Марк Уолтерс, доктор філософії, директор Інструментального інструментарію для спільних матеріалів Праттської школи інженерії, де розміщено та працює мікроскоп.
Читайте далі, щоб дізнатися більше про Cryo-EM і про те, як він став робочою конячкою в зусиллях Інституту людських вакцин Дьюка створити вакцину на ВІЛ.
Дюк надав федеральний грант у розмірі 27 мільйонів доларів на створення структурних моделей ВІЛ
Дюк є домом для одного з чотирьох кріо-ЕМ інструментів у Кароліні
У 2017 році Національний інститут гігієни навколишнього середовища (NIEHS) у Research Triangle Park запустив перший кріо-ЕМ-інструмент у Північній або Південній Кароліні. Невдовзі Дюк та Університет Північної Кароліни в Чапел-Хілл наслідували цей приклад. Трансмісійний електронний мікроскоп Duke Thermo-Fisher Titan Krios, модель другого покоління, робить зображення з трохи вищою роздільною здатністю, ніж інструменти, спочатку встановлені в NIEHS і UNC-Chapel Hill, сказав Уолтерс.
У серпні 2022 року NIEHS розгорнув свій другий інструмент, Titan Krios, подібний до того, що є в Duke, сказав Маріо Дж. Боргнія, доктор філософії, директор Cryo-EM Core в NIEHS. Усі три установи входять до складу Консорціум молекулярної мікроскопії, що базується на NIEHS, який сприяє використанню кріо-ЕМ та інших інструментів мікроскопії для розуміння молекулярних структур на атомному рівні та забезпечує навчання дослідників з цих установ, які хочуть використовувати їх у своїй роботі.
Інститут вакцин Дьюка укладає контракт на суму до 365 мільйонів доларів США на потенційне лікування
Значення «кріо-ЕМ»
Частина «кріо» в назві мікроскопа означає, що він заморожує білки або інші зразки, щоб зберегти їхні структури недоторканими, поки на них потрапляє промінь електронів.
Електронна мікроскопія відбувається у вакуумі, сказав Уолтерс, тому, якщо ви спробуєте відобразити зразки при кімнатній температурі, «вони фактично згорнуться самі».
Машина збирає дані за допомогою аналізу окремих частинок, який робить тисячі зображень очищених білків у випадкових орієнтаціях, або томографії, в якій зображення великих біологічних структур беруться під різними кутами нахилу, сказав Уолтерс. Дослідники використовують комп’ютерне програмне забезпечення для складання зображень для створення тривимірних моделей високої роздільної здатності.
Вісім стартапів із земельних грантів факультету Дюка – ось вони
Зайняті дослідники, зайнята машина
Прилад Duke Cryo-EM працює майже 7 днів на тиждень, 24 години на добу, роблячи до 5,000 зображень на день.
Співробітник Нілакші Бхаттачарія, доктор філософії, контролює роботу машини та навчає дослідників її використанню. Високий попит означає, що вартість для дослідників — 55 доларів за годину — відносно низька, сказав Волтерс. Кілька дослідницьких груп у Школі медицини є активними користувачами, більшість з них у Департаменті біохімії та Інституті людських вакцин Дюка. Лауреат Нобелівської премії Роберт Лефковіц, доктор медичних наук, Джеймс Б. Дюк, видатний професор медицини, часто користується мікроскопом і був одним із прихильників надання кріо-ЕМ Дьюку.
Cryo-EM має вирішальне значення для потенційної розробки вакцини проти ВІЛ у Duke
Cryo-EM має вирішальне значення в пошуках Інституту людських вакцин Дьюка щодо розробки вакцини проти ВІЛ.
Мікроскоп став основним методом, який Приямвада Ачар’я, доктор філософії, директор нового Центру структурної біології ВІЛ, що фінансується з федерального бюджету, використовує для розуміння структур, пов’язаних з ВІЛ.
«Без частого та легкого доступу до мікроскопа високого класу, здатного збирати дані, які дозволяють нам розпізнавати деталі на атомарному рівні, велика частина роботи, яка йде на створення структурної вакцини, була б неможливою», — сказав Ачар’я.
Вона пояснила, що білки — це довгі ланцюги амінокислот, які згортаються в певну форму, яка визначає їхню функцію. У ВІЛ, наприклад, унікальна форма білка оболонки ВІЛ-1 (Env) створює місце зв’язування рецептора під назвою CD4. «Після зв’язування з CD4 форма Env змінюється, дозволяючи йому зв’язувати додаткові рецептори», — сказала вона.
Далі на цьому шляху більше змін у формі оболонки дозволяє ВІЛ проникати в клітини людини. Візуальні моделі цих взаємодій є ключовими для того, щоб навчитися створювати вакцину, сказав Ачарья. «Структурна біологія дозволяє нам візуалізувати форму та динаміку біомолекул, таким чином відкриваючи вікно в їхню функцію та здатність її змінювати».
© Школа медицини Університету Дьюка
