Duke-forskere bruger kraftigt mikroskop til at søge efter akilleshæl i coronavirus
Udgivelsesdato:DURHAM – Selvom de fleste forskningslaboratorier på Duke University er lukkede for at forhindre fremtidig overførsel af COVID-19 coronavirus, er en af de få, der forbliver åbne, Instrumenteringsfacilitet for fælles materialer (SMIF), som huser et Duke-delt renrum og karakteriseringsfaciliteter. Og af de typiske 550+ SMIF-brugere er det kun få, der nu får lov til at arbejde i anlægget med COVID-19-forskning.
Et af nøgleinstrumenterne i SMIF er et multimillion-dollar-kryo-elektronmikroskop (forkortet cryo-EM), Titan Krios, som er i stand til at "se" proteiner i detaljer på atomniveau ved at tage hundredtusindvis af molekylære billeder af en biologisk prøve og derefter klassificering og gennemsnit af dem med kraftfuld software til at skabe et 3D-billede og i sidste ende en model af proteinet.
Og det er ikke nogen let opgave at holde maskinen ved at skabe disse billeder på atomniveau. I coronatidens tid bliver den komplekse maskine udelukkende understøttet af kun to ingeniører - Mark Walters, direktør for SMIF, hvor Titan Krios er bosat, og Holly Leddy, en cryo-EM-specialist i SMIF-staben.
I tilfælde af coronavirus bruger Duke School of Medicine-forsker Priyamvada Acharya og hendes team Krios til at bestemme strukturerne af coronavirus-spidsproteinet - den del af virussen, der stikker ud, binder sig til værten og hjælper virussen med at trænge ind i mennesker celler.
"Vi bruger informationen til på et grundlæggende niveau at lære detaljer om, hvordan spidsen fungerer, og oversætte denne viden til vaccinedesign," sagde Acharya, PhD, lektor i kirurgi ved School of Medicine og direktør for afdelingen i strukturel biologi ved Duke Human Vaccine Institute.
Bedre forståelse af spidsens struktur og funktion vil også hjælpe holdet med at udvikle molekylære kroge til at trække antistoffer ud fra blodet fra COVID-19-patienter, som kan bruges til vaccineudvikling.
Acharya har brugt en lignende tilgang i sin søgen efter at udvikle en vaccine mod HIV.
"Cryo-EM hjælper dig med hurtigt at finde ud af de fine detaljer af intermolekylære interaktioner og giver dig derved værktøjerne til at manipulere disse interaktioner for at lave de bedste vacciner til at udløse immunsystemet til at danne beskyttende antistoffer," sagde hun.
Men at finde ud af disse fine detaljer er sværere end det lyder, og det bliver gjort endnu sværere af personalet og afstandsbegrænsninger, der er nødvendige for at holde alle involverede i sikkerhed. For eksempel forbruger Titan Krios' prøvekammer konstant flydende nitrogen for at holde prøverne ved tilstrækkelig lave temperaturer til at fungere - deraf udtrykket "cryo." Og det er et sultent udyr. Maskinen går gennem en stor beholder med flydende nitrogen cirka hver femte dag.
"Da bygningen er låst og med et betydeligt reduceret personale, er vi nødt til at koordinere tæt for at sikre, at leverancerne ankommer, når Holly eller jeg er her for at lade Airgas nitrogenleveringen komme ind i laboratoriet," sagde Walters. "Vi er også nødt til at forskyde vores tidsplaner og praktisere social distancering, mens vi hjælper forskerne."
For eksempel er kun to personer tilladt ved Cryo-EM-kontrollerne ad gangen, og disse to personer skal holde mindst seks fods afstand fra hinanden. Det betyder, at en person vil betjene betjeningselementerne, mens den anden står mere end seks fod tilbage. De tørrer også tastaturer og kontroller af mindst dagligt og bruger handsker, når de rører ved dem. Når prøver er indlæst i maskinen, og de første justeringer er udført, kan næsten alle de andre funktioner dog fjernstyres.
"Et typisk eksperiment ved hjælp af Cryo-EM har Holly indlæst prøverne og derefter træde væk, så jeg kan komme ind og hjælpe forskerne med justeringerne og få kørselen sat op," sagde Walters. "Så når det er sat op, tager vi af sted, og forskerne og jeg kan køre og overvåge dataindsamling på afstand."
På trods af disse udfordringer og komplikationer er alle enige om, at det er besværet værd at holde maskinen kørende. Denne operation er et godt eksempel på, hvordan School of Medicine og Pratt School of Engineering (hvor SMIF er bosat) støtter hinanden og arbejder sammen om kritisk COVID-19-forskning.
"Når vi bevæger os hen imod udviklingen af en sikker og effektiv vaccine mod COVID-19, er det absolut bydende nødvendigt, at vi forstår, hvilke dele af virussen vi skal bruge til immunisering," sagde Colin Duckett, vicedekan for grundlæggende videnskaber ved School of Medicin. "De rigtige dele vil træne immunsystemet til at dræbe viralt inficerede celler uden skadelige bivirkninger, men det kan vi kun finde ud af, hvis vi kender den aktive struktur af nøgleproteinerne, især spikeproteinet. Det er her, Dr. Acharyas gruppe kommer ind i billedet. De fremskridt, som Dr. Acharya og hendes team har gjort så hurtigt, er intet mindre end bemærkelsesværdigt."