デューク大学の研究者は強力な顕微鏡を使用してコロナウイルスのアキレス腱を検索
発行日:ダーラム – デューク大学のほとんどの研究室は、COVID-19コロナウイルスの感染拡大を防ぐために閉鎖されているが、開いている数少ない研究室の一つは 共有材料計測設備 （SMIF）には、デューク大学の共有クリーンルームと特性評価施設があります。そして、通常の550人以上のSMIFユーザーのうち、COVID-19研究のために施設内で作業することが許可されているのは、現在わずか数人だけです。
SMIF の主要機器の 1 つは、数百万ドルのクライオ電子顕微鏡 (略してクライオ EM) である Titan Krios です。これは、生物標本の分子画像を数十万枚撮影し、強力なソフトウェアでそれらを分類して平均化し、3D 画像、そして最終的にはタンパク質のモデルを作成することで、タンパク質を原子レベルの詳細で「見る」ことができます。
そして、原子レベルの画像を作成し続ける機械を維持するのは容易なことではない。コロナウイルスの流行中、この複雑な機械は、タイタン・クリオスが収容されているSMIFの所長マーク・ウォルターズ氏と、SMIFスタッフのクライオ電子顕微鏡専門家ホリー・レディ氏のたった2人のエンジニアによって完全にサポートされている。
コロナウイルスの場合、デューク大学医学部の科学者プリヤムバダ・アチャリヤ氏とそのチームは、クリオスを使ってコロナウイルスのスパイクタンパク質の構造を解明している。スパイクタンパク質とは、ウイルスが突き出て宿主に付着し、人間の細胞に侵入するのを助ける部分である。
「私たちはこの情報を使って、スパイクがどのように機能するかについての基礎的な詳細を学び、この知識をワクチン設計に応用しています」と、医学部の外科准教授でデュークヒトワクチン研究所の構造生物学部門長のアチャリヤ博士は語った。
スパイクの構造と機能の理解を深めることで、チームはCOVID-19患者の血液から抗体を引き出す分子フックを開発し、ワクチン開発に活用できるようになる。
アチャリヤ氏はHIVワクチンの開発に同様のアプローチを採用している。
「クライオ電子顕微鏡法は分子間相互作用の細部を迅速に解明するのに役立ち、それによってそれらの相互作用を操作して免疫系に防御抗体を作らせるための最良のワクチンを作るためのツールを提供します」と彼女は語った。
しかし、こうした細かい点を把握するのは思ったより難しく、関係者全員の安全を守るために人員や距離の制限が課せられることでさらに難しくなります。たとえば、タイタン クリオスのサンプル室は、サンプルを機能させるのに十分な低温に保つために液体窒素を継続的に消費します。これが「クライオ」と呼ばれる理由です。そして、それは非常に貪欲な獣です。この機械は、約 5 日ごとに大きな液体窒素の容器を消費します。
「建物は施錠され、スタッフも大幅に減っているため、ホリーか私がエアガスの窒素を研究室に届けるためにここにいる間に配達物が到着するよう、綿密に調整しなければなりません」とウォルターズ氏は言う。「研究者を手助けしている間は、スケジュールをずらしてソーシャルディスタンスを保つ必要もあります。」
たとえば、Cryo-EM のコントロールには一度に 2 人しかアクセスできません。また、2 人は互いに少なくとも 6 フィートの距離を保つ必要があります。つまり、1 人がコントロールを操作する間、もう 1 人は 6 フィート以上離れて立つことになります。また、キーボードとコントロールは少なくとも毎日拭き取り、触るときには手袋を着用します。ただし、サンプルをマシンにロードして最初の調整を行うと、他のほぼすべての機能をリモートで制御できます。
「Cryo-EM を使用した典型的な実験では、ホリーがサンプルをロードし、私が入って研究者の調整や実行のセットアップを手伝うためにその場を離れます」とウォルターズ氏は言います。「セットアップが完了したら、私たちは立ち去り、研究者と私はリモートでデータ収集を実行し、監視することができます。」
こうした課題や複雑さにもかかわらず、機械を稼働させ続けることは面倒なことの価値があると誰もが同意しています。この作業は、医学部とプラット工学部 (SMIF がある場所) が互いにサポートし合い、重要な COVID-19 研究に協力していることを示す素晴らしい例です。
「COVID-19の安全で効果的なワクチンの開発に向けて進む中で、免疫にウイルスのどの部分を使う必要があるかを理解することが絶対に不可欠です」と医学部基礎科学副学部長のコリン・ダケット氏は述べた。「適切な部分を使うことで、有害な副作用なしにウイルスに感染した細胞を殺すよう免疫系を訓練できますが、それを理解するには、主要なタンパク質、特にスパイクタンパク質の活性構造を知る必要があります。そこでアチャリヤ博士のグループの出番です。アチャリヤ博士と彼女のチームがこれほど急速に成し遂げた進歩は、まさに驚異的です。」