Duke-onderzoekers gebruiken krachtige microscoop om te zoeken naar achilleshiel bij coronavirus
Datum gepubliceerd:DURHAM – Hoewel de meeste onderzoekslaboratoria aan de Duke University gesloten zijn om toekomstige overdracht van het COVID-19-coronavirus te voorkomen, is een van de weinige die open blijft de Instrumentatiefaciliteit voor gedeelde materialen (SMIF), waar een Duke gedeelde cleanroom en karakteriseringsfaciliteiten zijn gehuisvest. En van de typische ruim 550 SMIF-gebruikers mogen er nu slechts enkelen in de faciliteit werken aan COVID-19-onderzoek.
Een van de belangrijkste instrumenten in het SMIF is een cryo-elektronenmicroscoop van miljoenen dollars (kortweg cryo-EM), de Titan Krios, die eiwitten tot in detail op atomair niveau kan ‘zien’ door honderdduizenden moleculaire afbeeldingen te maken. van een biologisch exemplaar en deze vervolgens classificeren en middelen met krachtige software om een 3D-beeld te creëren, en uiteindelijk een model van het eiwit.
En het is geen eenvoudige opgave om de machine deze beelden op atomair niveau te laten maken. In de tijd van het coronavirus wordt de complexe machine volledig ondersteund door slechts twee ingenieurs: Mark Walters, directeur van SMIF, waar de Titan Krios woont, en Holly Leddy, een cryo-EM-specialist bij de SMIF-staf.
In het geval van het coronavirus gebruiken wetenschapper Priyamvada Acharya en haar team van de Duke School of Medicine de Krios om de structuren van het coronavirus-spike-eiwit te bepalen – het deel van het virus dat uitsteekt, zich hecht aan de gastheer en het virus helpt de mens binnen te dringen. cellen.
“We gebruiken de informatie om op basisniveau details te leren over hoe de piek functioneert, en deze kennis te vertalen voor het ontwerpen van vaccins”, zegt Acharya, PhD, universitair hoofddocent chirurgie aan de School of Medicine en directeur van de divisie. van Structurele Biologie aan het Duke Human Vaccine Institute.
Een beter begrip van de structuur en functie van de piek zal het team ook helpen moleculaire haken te ontwikkelen om antilichamen uit het bloed van COVID-19-patiënten te halen, die kunnen worden gebruikt voor de ontwikkeling van vaccins.
Acharya gebruikt een soortgelijke aanpak in haar zoektocht naar de ontwikkeling van een vaccin tegen HIV.
“Cryo-EM helpt je snel de fijne details van intermoleculaire interacties te achterhalen, waardoor je de tools krijgt om die interacties te manipuleren om de beste vaccins te maken om het immuunsysteem ertoe aan te zetten beschermende antilichamen te maken,” zei ze.
Maar het uitzoeken van deze fijne details is moeilijker dan het klinkt en wordt nog moeilijker gemaakt door het personeel en de afstandsbeperkingen die nodig zijn om alle betrokkenen veilig te houden. De monsterkamer van de Titan Krios verbruikt bijvoorbeeld voortdurend vloeibare stikstof om de monsters op voldoende lage temperaturen te houden om te kunnen werken – vandaar de term ‘cryo’. En het is een hongerig beest. De machine gaat ongeveer elke vijf dagen door een grote bus met vloeibare stikstof.
“Nu het gebouw op slot is en er sprake is van aanzienlijk minder personeel, moeten we nauw samenwerken om ervoor te zorgen dat de leveringen arriveren wanneer Holly of ik hier zijn om de Airgas-stikstoflevering in het laboratorium binnen te laten”, aldus Walters. “We moeten ook onze schema’s spreiden en sociale afstand nemen terwijl we de onderzoekers helpen.”
Er mogen bijvoorbeeld slechts twee mensen tegelijk bij de Cryo-EM-bedieningen zijn, en die twee mensen moeten minimaal anderhalve meter afstand van elkaar houden. Dit betekent dat de ene persoon de bedieningselementen bedient, terwijl de ander meer dan 1,80 meter naar achteren staat. Ze vegen ook de toetsenborden en bedieningselementen minstens dagelijks schoon en dragen handschoenen als ze deze aanraken. Zodra de monsters echter in de machine zijn geladen en de eerste uitlijningen zijn uitgevoerd, kunnen vrijwel alle andere functies op afstand worden bediend.
“Bij een typisch experiment waarbij Cryo-EM wordt gebruikt, laadt Holly de monsters en stapt vervolgens weg, zodat ik binnen kan komen en de onderzoekers kan helpen met het uitlijnen en het opzetten van de run”, aldus Walters. “Als het eenmaal is opgezet, vertrekken we en kunnen de onderzoekers en ik de gegevensverzameling op afstand uitvoeren en monitoren.”
Ondanks deze uitdagingen en complicaties is iedereen het erover eens dat het de moeite waard is om de machine draaiende te houden. Deze operatie is een goed voorbeeld van hoe de School of Medicine en de Pratt School of Engineering (waar SMIF gevestigd is) elkaar ondersteunen en samenwerken aan cruciaal COVID-19-onderzoek.
“Nu we op weg zijn naar de ontwikkeling van een veilig en effectief vaccin tegen COVID-19, is het absoluut noodzakelijk dat we begrijpen welke delen van het virus we moeten gebruiken voor immunisatie”, zegt Colin Duckett, vice-decaan basiswetenschappen aan de School of Science. Geneesmiddel. “De juiste onderdelen zullen het immuunsysteem trainen om viraal geïnfecteerde cellen te doden zonder schadelijke bijwerkingen, maar dat kunnen we alleen achterhalen als we de actieve structuur van de belangrijkste eiwitten kennen, vooral het spike-eiwit. Dat is waar de groep van Dr. Acharya in beeld komt. De vooruitgang die Dr. Acharya en haar team zo snel hebben geboekt is niets minder dan opmerkelijk.”