杜克大學研究人員如何使用 $10M 機器來推進科學和疫苗開發
發布日期：形狀是什麼？事實證明，很多。極其詳細地了解蛋白質和其他分子的結構是了解它們如何運作的關鍵。這些知識可以為開發新疫苗和治療方法打開大門。
為了實現這一目標，杜克大學的研究人員可以使用一種稱為低溫電子顯微鏡 (Cryo-EM) 的先進工具，它可以快速創建最小蛋白質片段的高解析度圖像（在原子層面）。
三名研究人員因開創該技術而獲得 2017 年諾貝爾化學獎。杜克大學醫學院基礎科學助理院長詹妮弗·福爾曼(Jennifer Foreman) 表示，在衛生事務大臣A.尤金·華盛頓(A. Eugene Washington) 的資助下，杜克大學於2018 年購買並安裝了自己的冷凍電鏡機器。
普拉特工程學院共享材料儀器設施（該設施負責安置和運行該顯微鏡）主任馬克·沃爾特斯（Mark Walters）博士表示，該儀器的購買和安裝成本為$8 至$1000 萬，包括用於容納該儀器的翻新工程。
請繼續閱讀，以了解有關冷凍電鏡的更多信息，以及它如何成為杜克人類疫苗研究所努力的主力軍。 研發疫苗 對於愛滋病毒。
杜克大學是卡羅萊納州僅有的四台冷凍電鏡儀器之一的所在地
位於三角研究園區的國家環境健康科學研究所(NIEHS) 於2017 年在北卡羅來納州或南卡羅來納州推出了第一台冷凍電鏡儀器。後。沃特斯說，杜克大學的 Thermo-Fisher Titan Krios 冷凍透射電子顯微鏡是第二代型號，其拍攝影像的解析度比最初安裝在 NIEHS 和北卡羅來納大學教堂山分校的儀器要高一些。
NIEHS 冷凍電鏡核心主任 Mario J. Borgnia 博士表示，NIEHS 於 2022 年 8 月部署了第二台儀器，即與杜克大學的儀器類似的 Titan Krios。所有三個機構都是該機構的一部分 分子顯微鏡聯盟位於 NIEHS，該機構提倡使用冷凍電子顯微鏡和其他顯微鏡工具來了解原子層次的分子結構，並為這些機構中想要在工作中使用它們的研究人員提供培訓。
「冷凍電鏡」的涵義
顯微鏡名稱中的「冷凍」部分意味著它會在電子束撞擊蛋白質或其他樣本時冷凍蛋白質或其他樣本，以保持其結構完整。
沃特斯說，電子顯微鏡是在真空中進行的，因此如果你試圖在室溫下對樣本進行成像，“它們基本上會自行塌陷。”
沃特斯說，該機器使用單粒子分析（以隨機方向拍攝數千張純化蛋白質影像）或斷層掃描（以不同傾斜角度拍攝較大生物結構的影像）來收集數據。研究人員使用電腦軟體疊加圖像來創建高解析度的三維模型。
研究人員忙碌，機器忙碌
杜克大學的冷凍電鏡儀器每週運行近 7 天，每天 24 小時運行，每天拍攝多達 5,000 張影像。
工作人員 Nilakshee Bhattacharya 博士負責監督機器的操作並對研究人員進行使用訓練。沃特斯說，高需求意味著研究人員的成本（每小時 $55）相對較低。醫學院的少數研究小組是大量用戶，其中大多數在生物化學系和杜克人類疫苗研究所。諾貝爾獎得主 Robert Lefkowitz 醫學博士、James B. Duke 傑出醫學教授經常使用顯微鏡，並且是將冷凍電子顯微鏡引入杜克大學的倡導者之一。
冷凍電鏡對於杜克大學潛在的 HIV 疫苗開發至關重要
冷凍電鏡對於杜克人類疫苗研究所開發愛滋病毒疫苗至關重要。
顯微鏡已成為杜克大學新的聯邦資助的愛滋病毒結構生物學中心主任 Priyamvada Acharya 博士用來了解愛滋病毒相關結構的主要方法。
阿查里亞說：“如果不能經常、隨時使用能夠收集數據、使我們能夠解析原子級細節的高端顯微鏡，基於結構的疫苗設計的大部分工作將無法進行。”
她解釋說，蛋白質是長鏈氨基酸，折疊成獨特的形狀，從而定義了它們的功能。例如，對於 HIV，HIV-1 包膜 (Env) 蛋白的獨特形狀為稱為 CD4 的受體創建了一個結合位點。 「與 CD4 結合後，Env 的形狀發生變化，使其能夠結合其他受體，」她說。
沿著這條路徑，包膜形狀的更多變化使得愛滋病毒能夠進入人體細胞。阿查里亞說，這些相互作用的視覺模型是學習如何設計疫苗的關鍵。 “結構生物學使我們能夠可視化生物分子的形狀和動力學，從而為了解它們的功能和改變它的能力提供了一個窗口。”
© 杜克大學醫學院
（杜克大學圖）
原文來源： WRAL 技術線