Wie Duke-Forscher eine $10M-Maschine nutzen, um die Wissenschaft und die Impfstoffentwicklung voranzutreiben

20. September 2022

Was steckt in einer Form? Wie sich herausstellt, eine ganze Menge. Das Verständnis der Strukturen von Proteinen und anderen Molekülen bis ins kleinste Detail kann der Schlüssel sein, um herauszufinden, wie sie funktionieren. Und dieses Wissen kann die Tür zur Entwicklung neuer Impfstoffe und Therapeutika öffnen.

Um dies zu erreichen, haben die Forscher der Duke University Zugriff auf ein hochmodernes Werkzeug namens Kryogene Elektronenmikroskopie (Kryo-EM), das schnell hochauflösende Bilder der kleinsten Proteinstücke (auf atomarer Ebene) erzeugt.

Drei Forscher erhielten 2017 den Nobelpreis für Chemie für die Entwicklung dieser Technik. 2018 erwarb und installierte Duke dank der Finanzierung durch den Gesundheitskanzler A. Eugene Washington, MD, eine eigene Kryo-EM-Maschine, sagte Jennifer Foreman, stellvertretende Dekanin für Grundlagenwissenschaften an der medizinischen Fakultät.

Der Kauf und die Installation des Instruments kosteten $8 bis $10 Millionen, einschließlich der erforderlichen Umbauarbeiten, sagte Dr. Mark Walters, Leiter der Shared Materials Instrumentation Facility der Pratt School of Engineering, die das Mikroskop beherbergt und betreibt.

Lesen Sie weiter, um mehr über Cryo-EM zu erfahren und wie es zu einem Arbeitspferd in den Bemühungen des Duke Human Vaccine Institute geworden ist, einen Impfstoff entwickeln für HIV.

DUKE IST DIE HEIMAT EINES VON NUR VIER CRYO-EM-INSTRUMENTEN IN DEN CAROLINAS

Das National Institute of Environmental Health Sciences (NIEHS) im Research Triangle Park brachte 2017 das erste Kryo-EM-Instrument in North oder South Carolina auf den Markt. Duke und die University of North Carolina in Chapel Hill folgten bald diesem Beispiel. Das Thermo-Fisher Titan Krios Cryo Transmission Electron Microscope von Duke, ein Modell der zweiten Generation, nimmt Bilder mit einer etwas höheren Auflösung auf als die ursprünglich am NIEHS und der UNC-Chapel Hill installierten Instrumente, sagte Walters.

Im August 2022 setzte das NIEHS sein zweites Instrument ein, einen Titan Krios wie den von Duke, sagte Mario J. Borgnia, PhD, Direktor des Cryo-EM Core am NIEHS. Alle drei Institutionen sind Teil des Molekulare Mikroskopie Konsortium, mit Sitz beim NIEHS, das die Verwendung von Kryo-EM und anderen Mikroskopiewerkzeugen zum Verständnis molekularer Strukturen auf atomarer Ebene fördert und Schulungen für Forscher dieser Institutionen anbietet, die sie in ihrer Arbeit verwenden möchten.

BEDEUTUNG VON „CRYO-EM“

Der „Kryo“-Teil des Namens des Mikroskops bedeutet, dass es die Proteine oder andere Proben einfriert, um ihre Strukturen intakt zu halten, während sie von einem Elektronenstrahl getroffen werden.

Die Elektronenmikroskopie findet im Vakuum statt, sagte Walters. Wenn man also versuchen würde, die Proben bei Zimmertemperatur abzubilden, „würden sie im Grunde in sich zusammenfallen“.

Die Maschine sammelt Daten entweder durch Einzelpartikelanalyse, bei der Tausende von Bildern gereinigter Proteine in zufälliger Orientierung aufgenommen werden, oder durch Tomographie, bei der Bilder größerer biologischer Strukturen in verschiedenen Neigungswinkeln aufgenommen werden, sagte Walters. Die Forscher verwenden Computersoftware, um die Bilder zu stapeln und hochauflösende dreidimensionale Modelle zu erstellen.

Fleißige Forscher, fleißige Maschine

Das Kryo-EM-Instrument von Duke ist nahezu 7 Tage die Woche rund um die Uhr in Betrieb und nimmt bis zu 5.000 Bilder pro Tag auf.

Mitarbeiterin Dr. Nilakshee Bhattacharya überwacht den Betrieb der Maschine und schult Forscher in ihrer Verwendung. Die hohe Nachfrage bedeutet, dass die Kosten für die Forscher – $55 pro Stunde – relativ niedrig sind, sagte Walters. Eine Handvoll Forschungsgruppen der School of Medicine nutzen das Gerät häufig, die meisten davon in der Abteilung für Biochemie und am Duke Human Vaccine Institute. Nobelpreisträger Dr. Robert Lefkowitz, James B. Duke Distinguished Professor of Medicine, verwendet das Mikroskop häufig und war einer der Befürworter der Einführung der Kryo-EM an der Duke.

CRYO-EM ENTSCHEIDEND FÜR POTENZIELLE HIV-IMPFSTOFFENTWICKLUNG AN DER DUKE

Kryo-EM ist für das Bestreben des Duke Human Vaccine Institute, einen Impfstoff gegen HIV zu entwickeln, von entscheidender Bedeutung.

Das Mikroskop ist zur Hauptmethode geworden, mit der Dr. Priyamvada Acharya, Direktor des neuen, staatlich finanzierten Zentrums für HIV-Strukturbiologie der Duke University, Strukturen erforscht, die mit HIV in Zusammenhang stehen.

„Ohne den häufigen und einfachen Zugang zu einem High-End-Mikroskop, das Daten sammeln kann, mit denen wir Details auf atomarer Ebene auflösen können, wäre ein Großteil der Arbeit, die in die strukturbasierte Impfstoffentwicklung fließt, nicht möglich“, sagte Acharya.

Sie erklärte, dass Proteine lange Aminosäureketten sind, die sich in eine bestimmte Form falten, die ihre Funktion definiert. Bei HIV beispielsweise schafft die einzigartige Form des HIV-1-Hüllproteins (Env) eine Bindungsstelle für einen Rezeptor namens CD4. „Nach der Bindung an CD4 ändert sich die Form des Env, wodurch es zusätzliche Rezeptoren binden kann“, sagte sie.

Im weiteren Verlauf des Weges können HIV durch weitere Veränderungen der Form der Hülle in menschliche Zellen eindringen. Visuelle Modelle dieser Interaktionen sind der Schlüssel zum Erlernen der Entwicklung eines Impfstoffs, sagte Acharya. „Die Strukturbiologie ermöglicht es uns, die Form und Dynamik von Biomolekülen zu visualisieren und so einen Einblick in ihre Funktion und die Möglichkeit zu erhalten, sie zu verändern.“

(Bild der Duke University)

Originalquelle des Artikels: WRAL TechWire