Come i ricercatori della Duke utilizzano una macchina $10M per far avanzare la scienza e lo sviluppo di vaccini

20 settembre 2022

Cosa c'è in una forma? A quanto pare, molto. Comprendere le strutture delle proteine e di altre molecole nei minimi dettagli può essere fondamentale per scoprire come funzionano. E questa conoscenza può aprire la porta allo sviluppo di nuovi vaccini e terapie.

Per raggiungere questo obiettivo, i ricercatori della Duke hanno accesso a uno strumento avanzato chiamato microscopia elettronica criogenica (Cryo-EM), che crea rapidamente immagini ad alta risoluzione dei pezzi più piccoli di proteine (a livello atomico).

Tre ricercatori hanno vinto il Premio Nobel per la Chimica 2017 per aver aperto la strada alla tecnica. Nel 2018 Duke ha acquisito e installato la propria macchina crio-EM, grazie al finanziamento del Cancelliere per gli affari sanitari A. Eugene Washington, MD, ha affermato Jennifer Foreman, assistente preside per le scienze di base presso la School of Medicine.

Lo strumento è costato da $8 a $10 milioni per l'acquisto e l'installazione, compresi i lavori di ristrutturazione per ospitarlo, ha affermato Mark Walters, PhD, direttore della Shared Materials Instrumentation Facility della Pratt School of Engineering, che ospita e gestisce il microscopio.

Continua a leggere per saperne di più su Cryo-EM e su come è diventato un cavallo di battaglia negli sforzi del Duke Human Vaccine Institute per creare un vaccino per l'HIV.

DUKE OSPITA UNO DEI SOLI QUATTRO STRUMENTI CRYO-EM NELLE CAROLINE

Il National Institute of Environmental Health Sciences (NIEHS) nel Research Triangle Park ha lanciato il primo strumento crio-EM nella Carolina del Nord o del Sud nel 2017. Duke e l’Università della Carolina del Nord a Chapel Hill hanno presto seguito l’esempio. Il microscopio elettronico a trasmissione criogenico Thermo-Fisher Titan Krios di Duke, un modello di seconda generazione, acquisisce immagini con una risoluzione leggermente superiore rispetto agli strumenti originariamente installati al NIEHS e all'UNC-Chapel Hill, ha affermato Walters.

Nell'agosto 2022, il NIEHS ha implementato il suo secondo strumento, un Titan Krios come quello della Duke, ha affermato Mario J. Borgnia, PhD, direttore del Cryo-EM Core presso il NIEHS. Tutte e tre le istituzioni fanno parte del Consorzio di microscopia molecolare, con sede al NIEHS, che promuove l'uso della crio-EM e di altri strumenti di microscopia per comprendere le strutture molecolari a livello atomico e fornisce formazione ai ricercatori di queste istituzioni che desiderano utilizzarli nel loro lavoro.

SIGNIFICATO DI “CRYO-EM”

La parte “crio” del nome del microscopio significa che congela le proteine o altri campioni per mantenere intatte le loro strutture mentre un fascio di elettroni li colpisce.

La microscopia elettronica si svolge all'interno del vuoto, ha detto Walters, quindi se si provasse a visualizzare i campioni a temperatura ambiente, "praticamente collasserebbero su se stessi".

La macchina raccoglie dati utilizzando l'analisi di singole particelle, che acquisisce migliaia di immagini di proteine purificate in orientamenti casuali, o la tomografia, in cui le immagini di strutture biologiche più grandi vengono acquisite con vari angoli di inclinazione, ha affermato Walters. I ricercatori utilizzano un software per computer per impilare le immagini per creare modelli tridimensionali ad alta risoluzione.

RICERCATORI OCCUPATI, MACCHINA OCCUPATA

Lo strumento Cryo-EM di Duke funziona quasi 7 giorni alla settimana, 24 ore al giorno, scattando fino a 5.000 immagini al giorno.

Il membro dello staff Nilakshee Bhattacharya, PhD, supervisiona il funzionamento della macchina e forma i ricercatori sul suo utilizzo. L’elevata domanda significa che il costo per i ricercatori – $55 l’ora – è relativamente basso, ha affermato Walters. Una manciata di gruppi di ricerca della Facoltà di Medicina ne fanno forti consumatori, la maggior parte dei quali nel Dipartimento di Biochimica e nel Duke Human Vaccine Institute. Il vincitore del Premio Nobel Robert Lefkowitz, MD, James B. Duke Distinguished Professor of Medicine, usa frequentemente il microscopio ed è stato uno dei sostenitori dell'introduzione della crio-EM alla Duke.

CRYO-EM FONDAMENTALE PER IL POTENZIALE SVILUPPO DEL VACCINO HIV ALLA DUKE

Cryo-EM è fondamentale nella ricerca del Duke Human Vaccine Institute per sviluppare un vaccino per l'HIV.

Il microscopio è diventato il metodo principale utilizzato da Priyamvada Acharya, PhD, direttore del nuovo Centro per la biologia strutturale dell'HIV della Duke, finanziato dal governo federale, per comprendere le strutture legate all'HIV.

“Senza un accesso frequente e immediato a un microscopio di fascia alta in grado di raccogliere dati che ci consentano di risolvere i dettagli a livello atomico, gran parte del lavoro necessario alla progettazione di vaccini basati sulla struttura non sarebbe possibile”, ha affermato Acharya.

Ha spiegato che le proteine sono lunghe catene di amminoacidi che si piegano in una forma distinta che definisce la loro funzione. Con l'HIV, ad esempio, la forma unica della proteina HIV-1 Envelope (Env) crea un sito di legame per un recettore chiamato CD4. "Dopo il legame con il CD4, la forma dell'Env cambia, permettendogli di legarsi ad ulteriori recettori", ha detto.

Più avanti nel percorso, ulteriori cambiamenti nella forma dell'involucro consentono all'HIV di entrare nelle cellule umane. I modelli visivi di queste interazioni sono fondamentali per imparare a progettare un vaccino, ha affermato Acharya. “La biologia strutturale ci consente di visualizzare la forma e la dinamica delle biomolecole, fornendo così una finestra sulla loro funzione e sulla capacità di alterarla”.

(Immagine della Duke University)

Fonte articolo originale: WRAL TechWire