DURHAM - Có gì trong một hình dạng? Hóa ra, rất nhiều. Hiểu cấu trúc của protein và các phân tử khác cực kỳ chi tiết có thể là chìa khóa để tìm ra cách chúng hoạt động. Và kiến thức đó có thể mở ra cơ hội phát triển vắc-xin và phương pháp điều trị mới.
Để đạt được điều đó, các nhà nghiên cứu của Duke có quyền truy cập vào một công cụ tiên tiến gọi là kính hiển vi điện tử đông lạnh (Cryo-EM), giúp nhanh chóng tạo ra hình ảnh có độ phân giải cao của các mảnh protein nhỏ nhất (ở cấp độ nguyên tử).
Ba nhà nghiên cứu đã giành giải Nobel Hóa học năm 2017 vì đã đi tiên phong trong kỹ thuật này. Vào năm 2018, Duke đã mua và lắp đặt máy cryo-EM của riêng mình, nhờ sự tài trợ của Thủ tướng phụ trách các vấn đề sức khỏe A. Eugene Washington, MD, Jennifer Foreman, trợ lý trưởng khoa khoa học cơ bản tại Trường Y cho biết.
Mark Walters, Tiến sĩ, giám đốc Cơ sở Thiết bị Thiết bị Vật liệu Dùng chung của Trường Kỹ thuật Pratt, nơi chứa và vận hành kính hiển vi, cho biết thiết bị này có giá từ 8 đến 10 triệu đô la để mua và lắp đặt, bao gồm cả việc cải tạo để phù hợp với nó.
Đọc tiếp để tìm hiểu thêm về Cryo-EM và làm thế nào nó trở thành một công cụ hữu hiệu trong nỗ lực của Viện Vắc-xin Người Duke nhằm tạo vắc-xin đối với HIV.
Duke đã trao khoản trợ cấp liên bang 27 triệu đô la để xây dựng các mô hình cấu trúc của HIV
Duke là quê hương của một trong bốn nhạc cụ cryo-EM ở Carolinas
Viện Khoa học Sức khỏe Môi trường Quốc gia (NIEHS) tại Công viên Tam giác Nghiên cứu đã ra mắt thiết bị cryo-EM đầu tiên ở Bắc hoặc Nam Carolina vào năm 2017. Duke và Đại học Bắc Carolina ở Chapel Hill đã sớm làm theo. Walters cho biết Kính hiển vi điện tử truyền qua nhiệt độ thấp Titan Krios Cryo của Duke, một mẫu thế hệ thứ hai, chụp ảnh ở độ phân giải cao hơn một chút so với các thiết bị ban đầu được lắp đặt tại NIEHS và UNC-Chapel Hill, Walters cho biết.
Vào tháng 2022 năm XNUMX, NIEHS đã triển khai thiết bị thứ hai của mình, Titan Krios giống như thiết bị tại Duke, Mario J. Borgnia, Tiến sĩ, giám đốc Lõi Cryo-EM tại NIEHS cho biết. Cả ba tổ chức này đều là một phần của Hiệp hội kính hiển vi phân tử, có trụ sở tại NIEHS, thúc đẩy việc sử dụng cryo-EM và các công cụ kính hiển vi khác để hiểu cấu trúc phân tử ở cấp độ nguyên tử và cung cấp đào tạo cho các nhà nghiên cứu từ các tổ chức này muốn sử dụng chúng trong công việc của họ.
Ý nghĩa của "cryo-EM"
Phần “cryo” trong tên của kính hiển vi có nghĩa là nó đóng băng các protein hoặc các mẫu vật khác để giữ cho cấu trúc của chúng nguyên vẹn trong khi một chùm điện tử chiếu vào chúng.
Walters cho biết, kính hiển vi điện tử diễn ra bên trong chân không, vì vậy nếu bạn cố gắng chụp ảnh các mẫu vật ở nhiệt độ phòng, thì “về cơ bản chúng sẽ tự sụp đổ”.
Máy thu thập dữ liệu bằng cách sử dụng phân tích hạt đơn lẻ, lấy hàng nghìn hình ảnh protein tinh khiết theo các hướng ngẫu nhiên hoặc chụp cắt lớp, trong đó hình ảnh của các cấu trúc sinh học lớn hơn được chụp ở các góc nghiêng khác nhau, Walters nói. Các nhà nghiên cứu sử dụng phần mềm máy tính để sắp xếp các hình ảnh để tạo ra các mô hình ba chiều có độ phân giải cao.
Tám công ty khởi nghiệp từ tài trợ hạt giống đất đai của khoa Duke - đây là
Nhà nghiên cứu bận rộn, bộ máy bận rộn
Thiết bị Cryo-EM của Duke chạy gần 7 ngày một tuần, 24 giờ một ngày, chụp tới 5,000 ảnh mỗi ngày.
Nhân viên Nilakshee Bhattacharya, Tiến sĩ, giám sát hoạt động của máy và đào tạo các nhà nghiên cứu cách sử dụng nó. Walters cho biết nhu cầu cao có nghĩa là chi phí cho các nhà nghiên cứu - 55 đô la một giờ - là tương đối thấp. Một số nhóm nghiên cứu tại Trường Y là những người sử dụng nhiều, hầu hết trong số họ ở Khoa Hóa sinh và Viện Vắc xin Người Duke. Người đoạt giải Nobel Robert Lefkowitz, MD, James B. Duke, Giáo sư Y khoa xuất sắc, sử dụng kính hiển vi thường xuyên và là một trong những người ủng hộ việc đưa cryo-EM đến Duke.
Duke báo cáo 90 triệu đô la từ phí giấy phép khởi nghiệp, giúp khởi chạy 13 loại tiền mới
Cryo-EM rất quan trọng để phát triển vắc-xin HIV tiềm năng tại Duke
Cryo-EM rất quan trọng trong nhiệm vụ phát triển vắc-xin HIV của Viện vắc-xin người Duke.
Kính hiển vi đã trở thành phương pháp chính mà Priyamvada Acharya, Tiến sĩ, giám đốc Trung tâm Sinh học Cấu trúc HIV mới được liên bang tài trợ của Duke, sử dụng để hiểu các cấu trúc liên quan đến HIV.
Acharya cho biết: “Nếu không có quyền truy cập thường xuyên và sẵn sàng vào kính hiển vi cao cấp có khả năng thu thập dữ liệu cho phép chúng tôi giải quyết các chi tiết ở cấp độ nguyên tử, thì phần lớn công việc thiết kế vắc-xin dựa trên cấu trúc sẽ không thể thực hiện được”.
Cô ấy giải thích rằng protein là những chuỗi axit amin dài gấp lại thành một hình dạng riêng biệt để xác định chức năng của chúng. Ví dụ, với HIV, hình dạng độc đáo của protein Vỏ bọc HIV-1 (Env) tạo ra một vị trí liên kết cho một thụ thể gọi là CD4. Cô ấy nói: “Sau khi liên kết với CD4, hình dạng của Env thay đổi, cho phép nó liên kết với các thụ thể bổ sung.
Xa hơn về con đường, nhiều thay đổi hơn về hình dạng của vỏ bọc cho phép HIV xâm nhập vào tế bào người. Acharya cho biết, các mô hình trực quan về những tương tác này là chìa khóa để học cách thiết kế vắc-xin. “Sinh học cấu trúc cho phép chúng ta hình dung hình dạng và động lực học của các phân tử sinh học, do đó cung cấp một cửa sổ vào chức năng của chúng và khả năng thay đổi nó.”
© Đại học Y khoa Duke
