杜克大学研究人员如何使用 $10M 机器推进科学和疫苗开发
发布日期：形状中蕴含着什么？事实证明，蕴含着很多东西。了解蛋白质和其他分子的极其精细的结构可能是了解它们如何工作的关键。而这些知识可以为开发新疫苗和新疗法打开大门。
为了实现这一目标，杜克大学的研究人员使用了一种名为低温电子显微镜（Cryo-EM）的先进工具，它可以快速创建最小蛋白质片段（原子水平）的高分辨率图像。
三位研究人员因开创这项技术而获得了 2017 年诺贝尔化学奖。医学院基础科学助理院长詹妮弗·福尔曼说，杜克大学在 2018 年购买并安装了自己的低温电子显微镜，这要归功于卫生事务校长 A. 尤金·华盛顿医学博士的资助。
普拉特工程学院共享材料仪器设施负责人马克沃尔特斯博士说，该仪器的购买和安装成本为 $8 到 $10 百万美元，包括为容纳它而进行的翻修。该设施负责存放和运行该显微镜。
继续阅读，了解有关 Cryo-EM 的更多信息，以及它如何成为杜克人类疫苗研究所努力的主力 研制疫苗 艾滋病毒。
杜克大学拥有卡罗莱纳州仅有的四台低温电子显微镜仪器之一
位于三角研究园的国家环境健康科学研究所 (NIEHS) 于 2017 年在北卡罗来纳州或南卡罗来纳州推出了第一台低温电子显微镜。杜克大学和北卡罗来纳大学教堂山分校也很快效仿了这一做法。沃尔特斯表示，杜克大学的 Thermo-Fisher Titan Krios 低温透射电子显微镜是第二代型号，它拍摄的图像分辨率比 NIEHS 和北卡罗来纳大学教堂山分校最初安装的仪器略高。
NIEHS 低温电子显微镜核心主任 Mario J. Borgnia 博士表示，2022 年 8 月，NIEHS 部署了第二台仪器，即与杜克大学相同的 Titan Krios。这三家机构都是 分子显微镜联盟，总部位于美国国家环境卫生研究院，致力于推广使用低温电子显微镜和其他显微镜工具来了解原子水平的分子结构，并为这些机构想要在工作中使用它们的研究人员提供培训。
“冷冻电镜”的含义
显微镜名称中的“cryo”部分意味着它会冻结蛋白质或其他样本，以便在电子束撞击它们时保持其结构完整。
沃尔特斯说，电子显微镜检查是在真空中进行的，所以如果你试图在室温下对样本进行成像，“它们基本上会自行坍塌。”
沃尔特斯说，该机器使用单粒子分析或断层扫描来收集数据，单粒子分析会以随机方向拍摄数千张纯化蛋白质的图像，而断层扫描则会以各种倾斜角度拍摄较大的生物结构的图像。研究人员使用计算机软件堆叠图像以创建高分辨率的三维模型。
忙碌的研究人员，忙碌的机器
杜克大学的 Cryo-EM 仪器几乎每周 7 天、每天 24 小时运行，每天拍摄多达 5,000 张图像。
工作人员 Nilakshee Bhattacharya 博士负责监督机器的运行，并培训研究人员使用。Walters 表示，高需求意味着研究人员的成本（每小时 $55）相对较低。医学院的少数研究小组是该机器的重度使用者，其中大部分来自生物化学系和杜克人类疫苗研究所。诺贝尔奖获得者、詹姆斯·B·杜克杰出医学教授 Robert Lefkowitz 医学博士经常使用显微镜，他是将低温电子显微镜引入杜克的倡导者之一。
低温电子显微镜对杜克大学艾滋病疫苗研发至关重要
冷冻电镜对于杜克人类疫苗研究所研发艾滋病毒疫苗至关重要。
显微镜已经成为杜克大学新成立的、由联邦政府资助的艾滋病毒结构生物学中心主任 Priyamvada Acharya 博士用来了解艾滋病毒相关结构的主要方法。
阿查里亚说：“如果不能频繁、方便地使用能够收集数据的高端显微镜来解析原子级细节，那么基于结构的疫苗设计的大部分工作就无法完成。”
她解释说，蛋白质是长链氨基酸，折叠成独特的形状，决定了它们的功能。例如，对于 HIV，HIV-1 包膜 (Env) 蛋白的独特形状为一种名为 CD4 的受体创造了一个结合位点。“与 CD4 结合后，Env 的形状会发生变化，使其能够结合其他受体，”她说。
沿着这条路径继续下去，包膜形状的更多变化使 HIV 能够进入人体细胞。Acharya 表示，这些相互作用的视觉模型是学习如何设计疫苗的关键。“结构生物学使我们能够直观地看到生物分子的形状和动态，从而为了解它们的功能和改变它的能力提供了一个窗口。”
© 杜克大学医学院
（杜克大学图片）
原文来源： WRAL 技术线