Hoe Duke-onderzoekers een $10M-machine gebruiken om de wetenschap en de ontwikkeling van vaccins vooruit te helpen

20 september 2022

Wat zit er in een vorm? Het blijkt: veel. Het tot in de kleinste details begrijpen van de structuren van eiwitten en andere moleculen kan van cruciaal belang zijn om erachter te komen hoe ze werken. En die kennis kan de deur openen voor de ontwikkeling van nieuwe vaccins en therapieën.

Om dat te bereiken hebben Duke-onderzoekers toegang tot een geavanceerd hulpmiddel genaamd Cryogene elektronenmicroscopie (Cryo-EM), dat snel beelden met hoge resolutie creëert van de kleinste stukjes eiwit (op atomair niveau).

Drie onderzoekers wonnen in 2017 de Nobelprijs voor de Scheikunde voor hun pionierswerk met deze techniek. In 2018 heeft Duke zijn eigen cryo-EM-machine aangeschaft en geïnstalleerd, dankzij financiering van minister van Volksgezondheid A. Eugene Washington, MD, zegt Jennifer Foreman, assistent-decaan voor basiswetenschappen aan de School of Medicine.

Het instrument kostte $8 tot $10 miljoen om aan te schaffen en te installeren, inclusief renovaties om het te huisvesten, zei Mark Walters, PhD, directeur van de Shared Materials Instrumentation Facility van de Pratt School of Engineering, waar de microscoop is gehuisvest en beheerd.

Lees verder om meer te leren over Cryo-EM en hoe het een werkpaard is geworden in de inspanningen van het Duke Human Vaccine Institute om een vaccin maken voor HIV.

DUKE IS DE THUIS VAN EEN VAN SLECHTS VIER CRYO-EM-INSTRUMENTEN IN DE CAROLINAS

Het National Institute of Environmental Health Sciences (NIEHS) in Research Triangle Park lanceerde in 2017 het eerste cryo-EM-instrument in North of South Carolina. Duke en de Universiteit van North Carolina in Chapel Hill volgden al snel dit voorbeeld. Duke's Thermo-Fisher Titan Krios Cryo Transmission Electron Microscope, een model van de tweede generatie, maakt beelden met een iets hogere resolutie dan de instrumenten die oorspronkelijk bij NIEHS en UNC-Chapel Hill waren geïnstalleerd, zei Walters.

In augustus 2022 zette NIEHS zijn tweede instrument in, een Titan Krios zoals die bij Duke, zei Mario J. Borgnia, PhD, directeur van de Cryo-EM Core bij NIEHS. Alle drie de instellingen maken deel uit van de Consortium voor moleculaire microscopie, gevestigd bij NIEHS, dat het gebruik van cryo-EM en andere microscopiehulpmiddelen promoot om moleculaire structuren op atomair niveau te begrijpen en training biedt aan onderzoekers van deze instellingen die deze in hun werk willen gebruiken.

BETEKENIS VAN “CRYO-EM”

Het 'cryo'-gedeelte van de naam van de microscoop betekent dat het de eiwitten of andere monsters bevriest om hun structuren intact te houden terwijl een elektronenbundel ze raakt.

Elektronenmicroscopie vindt plaats in een vacuüm, zei Walters, dus als je zou proberen de monsters bij kamertemperatuur in beeld te brengen, "zouden ze feitelijk in elkaar storten."

De machine verzamelt gegevens met behulp van analyse van afzonderlijke deeltjes, waarbij duizenden afbeeldingen van gezuiverde eiwitten in willekeurige oriëntaties worden gemaakt, of tomografie, waarbij afbeeldingen van grotere biologische structuren onder verschillende kantelhoeken worden gemaakt, zei Walters. Onderzoekers gebruiken computersoftware om de afbeeldingen te stapelen om driedimensionale modellen met hoge resolutie te creëren.

BEZIGE ONDERZOEKERS, BEZIGE MACHINE

Het Cryo-EM-instrument van Duke is bijna 7 dagen per week, 24 uur per dag actief en maakt maar liefst 5.000 beelden per dag.

Staflid Nilakshee Bhattacharya, PhD, houdt toezicht op de werking van de machine en traint onderzoekers in het gebruik ervan. De grote vraag betekent dat de kosten voor onderzoekers – $55 per uur – relatief laag zijn, aldus Walters. Een handvol onderzoeksgroepen in de School of Medicine zijn zware gebruikers, de meeste van hen in de Afdeling Biochemie en het Duke Human Vaccine Institute. Nobelprijswinnaar Robert Lefkowitz, MD, James B. Duke Distinguished Professor of Medicine, gebruikt de microscoop veelvuldig en was een van de pleitbezorgers om cryo-EM naar Duke te brengen.

CRYO-EM CRUCIAAL VOOR DE POTENTIËLE ONTWIKKELING VAN HIV-VACCIES BIJ DUKE

Cryo-EM is cruciaal in de zoektocht van het Duke Human Vaccine Institute om een vaccin tegen HIV te ontwikkelen.

De microscoop is de belangrijkste methode geworden die Priyamvada Acharya, PhD, directeur van Duke's nieuwe federaal gefinancierde Centrum voor HIV Structurele Biologie, gebruikt om structuren te begrijpen die verband houden met HIV.

“Zonder frequente en gemakkelijke toegang tot een hoogwaardige microscoop die gegevens kan verzamelen waarmee we details op atomair niveau kunnen oplossen, zou veel van het werk dat in het structuurgebaseerd vaccinontwerp zit niet mogelijk zijn,” zei Acharya.

Ze legde uit dat eiwitten lange ketens van aminozuren zijn die zich in een aparte vorm vouwen die hun functie definieert. Bij HIV creëert de unieke vorm van het HIV-1 Envelope (Env)-eiwit bijvoorbeeld een bindingsplaats voor een receptor die CD4 wordt genoemd. “Na binding aan CD4 verandert de vorm van de Env, waardoor deze extra receptoren kan binden,” zei ze.

Verderop in het proces zorgen meer veranderingen in de vorm van de envelop ervoor dat HIV menselijke cellen kan binnendringen. Visuele modellen van deze interacties zijn de sleutel tot het leren ontwerpen van een vaccin, zei Acharya. “Structurele biologie stelt ons in staat de vorm en dynamiek van biomoleculen te visualiseren, waardoor we inzicht krijgen in hun functie en het vermogen om deze te veranderen.”

(Afbeelding Duke University)

Originele artikelbron: WRAL TechWire