Cómo los investigadores de Duke están utilizando una máquina $10M para avanzar en la ciencia y el desarrollo de vacunas
Fecha de publicación:¿Qué hay en una forma? Resulta que mucho. Comprender las estructuras de las proteínas y otras moléculas con gran detalle puede ser clave para descubrir cómo funcionan. Y ese conocimiento puede abrir la puerta al desarrollo de nuevas vacunas y terapias.
Para lograrlo, los investigadores de Duke tienen acceso a una herramienta avanzada llamada microscopía electrónica criogénica (Cryo-EM), que crea rápidamente imágenes de alta resolución de las piezas más pequeñas de proteínas (a nivel atómico).
Tres investigadores ganaron el Premio Nobel de Química 2017 por ser pioneros en esta técnica. En 2018, Duke adquirió e instaló su propia máquina crio-EM, gracias a la financiación del Canciller de Asuntos de Salud, A. Eugene Washington, MD, dijo Jennifer Foreman, decana adjunta de ciencias básicas de la Facultad de Medicina.
La compra e instalación del instrumento costó entre $8 y $10 millones, incluidas las renovaciones para acomodarlo, dijo Mark Walters, PhD, director de la Instalación de Instrumentación de Materiales Compartidos de la Escuela Pratt de Ingeniería, que alberga y maneja el microscopio.
Siga leyendo para obtener más información sobre Cryo-EM y cómo se ha convertido en un caballo de batalla en los esfuerzos del Duke Human Vaccine Institute para crear una vacuna para el VIH.
DUKE ES EL HOGAR DE UNO DE LOS CUATRO INSTRUMENTOS CRYO-EM EN LAS CAROLINAS
El Instituto Nacional de Ciencias de la Salud Ambiental (NIEHS) en Research Triangle Park lanzó el primer instrumento crio-EM en Carolina del Norte o del Sur en 2017. Duke y la Universidad de Carolina del Norte en Chapel Hill pronto siguieron su ejemplo. El microscopio electrónico de transmisión Thermo-Fisher Titan Krios Cryo de Duke, un modelo de segunda generación, toma imágenes con una resolución un poco más alta que los instrumentos instalados originalmente en NIEHS y UNC-Chapel Hill, dijo Walters.
En agosto de 2022, NIEHS desplegó su segundo instrumento, un Titan Krios como el de Duke, dijo Mario J. Borgnia, PhD, director de Cryo-EM Core en NIEHS. Las tres instituciones forman parte del Consorcio de Microscopía Molecular, con sede en NIEHS, que promueve el uso de crio-EM y otras herramientas de microscopía para comprender estructuras moleculares a nivel atómico y brinda capacitación a investigadores de estas instituciones que quieran utilizarlas en su trabajo.
SIGNIFICADO DE “CRYO-EM”
La parte "crio" del nombre del microscopio significa que congela las proteínas u otras muestras para mantener sus estructuras intactas mientras un haz de electrones las golpea.
La microscopía electrónica se realiza dentro del vacío, dijo Walters, por lo que si se intentara tomar imágenes de las muestras a temperatura ambiente, "básicamente colapsarían sobre sí mismas".
La máquina recopila datos mediante análisis de partículas individuales, que toma miles de imágenes de proteínas purificadas en orientaciones aleatorias, o tomografía, en la que se toman imágenes de estructuras biológicas más grandes en varios ángulos de inclinación, dijo Walters. Los investigadores utilizan software informático para apilar las imágenes y crear modelos tridimensionales de alta resolución.
INVESTIGADORES OCUPADOS, MÁQUINA OCUPADA
El instrumento Cryo-EM de Duke funciona casi los 7 días de la semana, las 24 horas del día, y toma hasta 5.000 imágenes por día.
Nilakshee Bhattacharya, PhD, miembro del personal, supervisa el funcionamiento de la máquina y capacita a los investigadores en su uso. La alta demanda significa que el costo para los investigadores ($55 por hora) es relativamente bajo, dijo Walters. Un puñado de grupos de investigación de la Facultad de Medicina son consumidores habituales, la mayoría de ellos en el Departamento de Bioquímica y el Instituto de Vacunas Humanas de Duke. El Dr. Robert Lefkowitz, ganador del Premio Nobel y Profesor Distinguido de Medicina James B. Duke, utiliza el microscopio con frecuencia y fue uno de los defensores de llevar la crio-EM a Duke.
CRYO-EM ES CRUCIAL PARA EL DESARROLLO POTENCIAL DE UNA VACUNA CONTRA EL VIH EN DUKE
Cryo-EM es crucial en la búsqueda del Duke Human Vaccine Institute para desarrollar una vacuna contra el VIH.
El microscopio se ha convertido en el método principal que Priyamvada Acharya, PhD, director del nuevo Centro de Biología Estructural del VIH de Duke, financiado con fondos federales, utiliza para comprender las estructuras relacionadas con el VIH.
"Sin un acceso frecuente y fácil a un microscopio de alta gama capaz de recopilar datos que nos permitan resolver detalles a nivel atómico, gran parte del trabajo relacionado con el diseño de vacunas basadas en estructuras no sería posible", dijo Acharya.
Explicó que las proteínas son largas cadenas de aminoácidos que se pliegan en una forma distinta que define su función. En el caso del VIH, por ejemplo, la forma única de la proteína de la envoltura del VIH-1 (Env) crea un sitio de unión para un receptor llamado CD4. "Después de unirse al CD4, la forma de Env cambia, lo que le permite unirse a receptores adicionales", dijo.
Más adelante en el camino, más cambios en la forma de la envoltura permiten que el VIH ingrese a las células humanas. Los modelos visuales de estas interacciones son clave para aprender a diseñar una vacuna, afirmó Acharya. "La biología estructural nos permite visualizar la forma y la dinámica de las biomoléculas, proporcionando así una ventana a su función y la capacidad de alterarla".
© Facultad de Medicina de la Universidad de Duke
(Imagen de la Universidad de Duke)
Fuente del artículo original: WRAL TechWire