Jak badacze Duke wykorzystują maszynę $10M do postępu nauki i opracowywania szczepionek

wrzesień 20, 2022

Co jest w formie? Jak się okazuje, bardzo dużo. Bardzo szczegółowe zrozumienie struktur białek i innych cząsteczek może być kluczem do poznania ich działania. Wiedza ta może otworzyć drzwi do opracowania nowych szczepionek i leków.

Aby to osiągnąć, badacze Duke mają dostęp do zaawansowanego narzędzia zwanego kriogeniczną mikroskopią elektronową (Cryo-EM), które szybko tworzy obrazy o wysokiej rozdzielczości najmniejszych kawałków białek (na poziomie atomowym).

Trzej badacze otrzymali Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii w 2017 r. za pionierską tę technikę. W 2018 r. Duke nabył i zainstalował własną maszynę Cryo-EM dzięki funduszom uzyskanym od Kanclerza ds. Zdrowia A. Eugene’a Washingtona, lekarza medycyny, powiedziała Jennifer Foreman, prodziekan ds. nauk podstawowych w School of Medicine.

Zakup i instalacja instrumentu, łącznie z remontami, kosztowały od $8 do $10 milionów, powiedział dr Mark Walters, dyrektor centrum oprzyrządowania do materiałów wspólnych w Pratt School of Engineering, w którym mieści się i obsługuje mikroskop.

Czytaj dalej, aby dowiedzieć się więcej o Cryo-EM i o tym, jak stał się on głównym narzędziem wysiłków Instytutu Szczepionek dla Ludzi Duke’a mających na celu stworzyć szczepionkę dla HIV.

DUKE JEST DOMEM JEDNEGO Z TYLKO CZTERECH INSTRUMENTÓW CRYO-EM W KAROLINACH

Narodowy Instytut Nauk o Zdrowiu Środowiskowym (NIEHS) w Research Triangle Park uruchomił pierwszy instrument krio-EM w Karolinie Północnej i Południowej w 2017 r. Duke i Uniwersytet Karoliny Północnej w Chapel Hill wkrótce poszli w ich ślady. Walters powiedział, że transmisyjny mikroskop elektronowy Duke Thermo-Fisher Titan Krios Cryo to model drugiej generacji, który wykonuje zdjęcia w nieco wyższej rozdzielczości niż instrumenty oryginalnie zainstalowane w NIEHS i UNC-Chapel Hill.

W sierpniu 2022 r. NIEHS rozmieścił swój drugi instrument, Titan Krios, taki jak ten w Duke, powiedział dr Mario J. Borgnia, dyrektor rdzenia Cryo-EM w NIEHS. Wszystkie trzy instytucje są częścią Konsorcjum Mikroskopii Molekularnejz siedzibą w NIEHS, która promuje wykorzystanie krio-EM i innych narzędzi mikroskopowych do zrozumienia struktur molekularnych na poziomie atomowym oraz zapewnia szkolenia badaczom z tych instytucji, którzy chcą wykorzystać je w swojej pracy.

ZNACZENIE SŁOWA „CRYO-EM”

Część „krio” w nazwie mikroskopu oznacza, że zamraża on białka lub inne próbki, aby zachować ich strukturę w nienaruszonym stanie, gdy uderza w nie wiązka elektronów.

Walters powiedział, że mikroskopia elektronowa odbywa się w próżni, więc jeśli spróbujesz zobrazować próbki w temperaturze pokojowej, „w zasadzie zapadną się same w sobie”.

Maszyna zbiera dane za pomocą analizy pojedynczych cząstek, która wykonuje tysiące obrazów oczyszczonych białek w przypadkowych orientacjach, lub tomografii, podczas której obrazy większych struktur biologicznych są rejestrowane pod różnymi kątami nachylenia, powiedział Walters. Naukowcy używają oprogramowania komputerowego do układania obrazów w stosy w celu tworzenia trójwymiarowych modeli o wysokiej rozdzielczości.

ZAJęci badacze, zapracowana maszyna

Instrument Duke'a Cryo-EM działa prawie 7 dni w tygodniu, 24 godziny na dobę i wykonuje aż 5000 zdjęć dziennie.

Pracownik, dr Nilakshee Bhattacharya, nadzoruje działanie maszyny i szkoli badaczy w zakresie jej obsługi. Wysoki popyt oznacza, że koszt dla badaczy – $55 za godzinę – jest stosunkowo niski, stwierdził Walters. Kilka grup badawczych na Wydziale Medycznym intensywnie zażywa szczepionkę, większość z nich na Wydziale Biochemii i w Instytucie Szczepionek dla Ludzi Duke'a. Laureat Nagrody Nobla Robert Lefkowitz, lekarz medycyny, James B. Duke, wybitny profesor medycyny, często korzysta z mikroskopu i był jednym z zwolenników wprowadzenia krio-EM do Duke.

CRYO-EM KLUCZOWY DLA POTENCJALNEGO ROZWOJU SZCZEPIONEK przeciwko HIV W DUKE

Cryo-EM ma kluczowe znaczenie w dążeniu Instytutu Szczepionek Ludzkich Duke'a do opracowania szczepionki przeciwko wirusowi HIV.

Mikroskop stał się główną metodą stosowaną przez dr Priyamvadę Acharyę, dyrektora nowego, finansowanego ze środków federalnych Centrum Biologii Strukturalnej HIV w Duke, do zrozumienia struktur związanych z wirusem HIV.

„Bez częstego i łatwego dostępu do wysokiej klasy mikroskopu zdolnego do gromadzenia danych, które pozwalają nam poznać szczegóły na poziomie atomowym, większość pracy związanej z projektowaniem szczepionek w oparciu o strukturę nie byłaby możliwa” – powiedział Acharya.

Wyjaśniła, że białka to długie łańcuchy aminokwasów, które składają się w odrębny kształt określający ich funkcję. Na przykład w przypadku wirusa HIV unikalny kształt białka otoczki HIV-1 (Env) tworzy miejsce wiązania receptora zwanego CD4. „Po związaniu się z CD4 kształt Env zmienia się, umożliwiając mu wiązanie dodatkowych receptorów” – powiedziała.

W dalszej części ścieżki dalsze zmiany w kształcie otoczki umożliwiają wirusowi przedostanie się do ludzkich komórek. Wizualne modele tych interakcji są kluczem do nauczenia się projektowania szczepionki, powiedział Acharya. „Biologia strukturalna pozwala nam wizualizować kształt i dynamikę biomolekuł, zapewniając w ten sposób wgląd w ich funkcję i możliwość jej zmiany”.

(Zdjęcie Uniwersytetu Duke'a)

Oryginalne źródło artykułu: WRALTechWire