达勒姆—— 形状是什么？ 事实证明，很多。 极其详细地了解蛋白质和其他分子的结构可能是了解它们如何工作的关键。 这些知识可以为开发新疫苗和疗法打开大门。
为实现这一目标，杜克大学的研究人员可以使用一种称为低温电子显微镜 (Cryo-EM) 的先进工具，该工具可以快速创建最小蛋白质片段（原子级）的高分辨率图像。
三名研究人员因开创该技术而获得 2017 年诺贝尔化学奖。 2018 年，杜克大学获得并安装了自己的冷冻电子显微镜机器，这要归功于卫生事务大臣 A. Eugene Washington 医学博士的资助，医学院基础科学助理院长 Jennifer Foreman 说。
该仪器的购买和安装费用为 8 到 10 万美元，包括对其进行装修，普拉特工程学院共享材料仪器设施主任 Mark Walters 博士说，该设施负责安置和运行显微镜。
继续阅读以了解更多关于 Cryo-EM 的信息，以及它如何成为杜克人类疫苗研究所努力的主力军 研制疫苗 艾滋病毒。
杜克大学拥有卡罗来纳州仅有的四台低温电磁仪器之一
位于三角研究园的国家环境健康科学研究所 (NIEHS) 于 2017 年在北卡罗来纳州或南卡罗来纳州推出了第一台冷冻电镜仪器。杜克大学和北卡罗来纳大学教堂山分校也很快效仿。 Walters 说，Duke 的 Thermo-Fisher Titan Krios Cryo Transmission Electron Microscope 是第二代型号，其拍摄的图像分辨率比最初安装在 NIEHS 和 UNC-Chapel Hill 的仪器要高一些。
NIEHS Cryo-EM Core 主任 Mario J. Borgnia 博士说，2022 年 XNUMX 月，NIEHS 部署了第二台仪器，即 Titan Krios，就像杜克大学的仪器一样。 这三个机构都属于 分子显微镜联合会，总部设在 NIEHS，它促进使用冷冻 EM 和其他显微镜工具来了解原子水平的分子结构，并为这些机构中希望在工作中使用它们的研究人员提供培训。
“cryo-EM”的含义
显微镜名称中的“低温”部分意味着它冻结蛋白质或其他标本以在电子束击中它们时保持其结构完整。
沃尔特斯说，电子显微镜是在真空中进行的，所以如果你试图在室温下对标本进行成像，“它们基本上会自行坍塌。”
Walters 说，该机器使用单粒子分析（在随机方向拍摄数千张纯化蛋白质图像）或断层扫描（以不同倾斜角度拍摄较大生物结构的图像）来收集数据。 研究人员使用计算机软件堆叠图像以创建高分辨率的三维模型。
忙碌的研究人员，忙碌的机器
Duke 的 Cryo-EM 仪器每周运行近 7 天，每天 24 小时，每天拍摄多达 5,000 张图像。
工作人员 Nilakshee Bhattacharya 博士负责监督机器的操作并培训研究人员使用机器。 沃尔特斯说，高需求意味着研究人员的成本——每小时 55 美元——相对较低。 医学院的少数几个研究小组是重度用户，其中大部分在生物化学系和杜克人类疫苗研究所。 诺贝尔奖得主罗伯特·莱夫科维茨 (Robert Lefkowitz) 医学博士、詹姆斯·B·杜克 (James B. Duke) 杰出医学教授经常使用显微镜，并且是将低温电子显微镜引入杜克的倡导者之一。
Cryo-EM 对杜克大学潜在的 HIV 疫苗开发至关重要
Cryo-EM 在杜克人类疫苗研究所开发 HIV 疫苗的过程中至关重要。
显微镜已成为杜克大学新成立的联邦政府资助的 HIV 结构生物学中心主任 Priyamvada Acharya 博士用来了解与 HIV 相关结构的主要方法。
Acharya 说：“如果不能经常和随时访问能够收集数据的高端显微镜，使我们能够解决原子级细节问题，那么基于结构的疫苗设计中的大部分工作都是不可能的。”
她解释说，蛋白质是氨基酸的长链，可以折叠成定义其功能的独特形状。 例如，对于 HIV，HIV-1 包膜 (Env) 蛋白的独特形状为称为 CD4 的受体创建了一个结合位点。 “与 CD4 结合后，Env 的形状发生变化，使其能够结合其他受体，”她说。
在这条通路的更深处，包膜形状的更多变化使 HIV 能够进入人体细胞。 Acharya 说，这些相互作用的视觉模型是学习如何设计疫苗的关键。 “结构生物学使我们能够可视化生物分子的形状和动力学，从而为了解它们的功能和改变它的能力提供了一个窗口。”
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