Duke-Forscher suchen mit einem leistungsstarken Mikroskop nach der Achillesferse des Coronavirus

DURHAM – Obwohl die meisten Forschungslabore der Duke University geschlossen sind, um eine zukünftige Übertragung des COVID-19-Coronavirus zu verhindern, ist eines der wenigen, das geöffnet bleibt, das Gemeinsam genutzte Materialinstrumentierungsanlage (SMIF), das einen gemeinsamen Reinraum und Charakterisierungseinrichtungen von Duke beherbergt. Und von den typischen über 550 SMIF-Benutzern dürfen nur noch wenige in der Einrichtung an der COVID-19-Forschung arbeiten.

Eines der Schlüsselinstrumente im SMIF ist ein mehrere Millionen Dollar teures Kryo-Elektronenmikroskop (kurz Kryo-EM), das Titan Krios, das in der Lage ist, Proteine durch die Aufnahme Hunderttausender molekularer Bilder im Detail auf atomarer Ebene zu „sehen“. einer biologischen Probe und klassifizieren und mitteln sie dann mit leistungsstarker Software, um ein 3D-Bild und letztendlich ein Modell des Proteins zu erstellen.

Und es ist keine leichte Aufgabe, die Maschine dazu zu bringen, diese Bilder auf atomarer Ebene zu erzeugen. In Zeiten des Coronavirus wird die komplexe Maschine vollständig von nur zwei Ingenieuren unterstützt – Mark Walters, Direktor des SMIF, in dem sich der Titan Krios befindet, und Holly Leddy, eine Kryo-EM-Spezialistin im SMIF-Team.

Im Fall des Coronavirus verwenden die Wissenschaftlerin der Duke School of Medicine, Priyamvada Acharya, und ihr Team das Krios, um die Strukturen des Coronavirus-Spike-Proteins zu bestimmen – dem Teil des Virus, der herausragt, sich an den Wirt bindet und dem Virus hilft, in den Menschen einzudringen Zellen.

„Wir nutzen die Informationen, um auf einer grundlegenden Ebene Einzelheiten über die Funktionsweise des Spike zu erfahren und dieses Wissen für die Impfstoffentwicklung zu nutzen“, sagte Acharya, PhD, außerordentlicher Professor für Chirurgie an der School of Medicine und Leiter der Abteilung für Strukturbiologie am Duke Human Vaccine Institute.

Ein besseres Verständnis der Struktur und Funktion des Spikes wird dem Team auch dabei helfen, molekulare Haken zu entwickeln, um Antikörper aus dem Blut von COVID-19-Patienten zu extrahieren, die für die Impfstoffentwicklung verwendet werden könnten.

Einen ähnlichen Ansatz verfolgt Acharya bei ihrer Suche nach einem Impfstoff gegen HIV.

„Kryo-EM hilft Ihnen, schnell die feinen Details intermolekularer Wechselwirkungen herauszufinden und gibt Ihnen dadurch die Werkzeuge an die Hand, diese Wechselwirkungen zu manipulieren, um die besten Impfstoffe herzustellen, die das Immunsystem dazu anregen, schützende Antikörper zu bilden“, sagte sie.

Aber diese feinen Details herauszufinden ist schwieriger, als es sich anhört, und wird durch die Personal- und Abstandsbeschränkungen, die notwendig sind, um die Sicherheit aller Beteiligten zu gewährleisten, noch schwieriger. Beispielsweise verbraucht die Probenkammer des Titan Krios kontinuierlich flüssigen Stickstoff, um die Proben auf ausreichend niedrigen Temperaturen zu halten, damit sie funktionieren – daher der Begriff „Kryo“. Und es ist ein hungriges Tier. Die Maschine durchläuft etwa alle fünf Tage einen großen Kanister mit flüssigem Stickstoff.

„Da das Gebäude verschlossen ist und das Personal deutlich reduziert ist, müssen wir uns eng abstimmen, um sicherzustellen, dass die Lieferungen dann ankommen, wenn Holly oder ich hier sind, um die Airgas-Stickstofflieferung ins Labor zu lassen“, sagte Walters. „Außerdem müssen wir unsere Zeitpläne verschieben und soziale Distanz wahren, während wir den Forschern helfen.“

Beispielsweise dürfen sich nur zwei Personen gleichzeitig an den Kryo-EM-Kontrollen aufhalten, und diese beiden Personen müssen einen Abstand von mindestens 1,80 m zueinander einhalten. Das bedeutet, dass eine Person die Steuerung bedient, während die andere mehr als einen Meter zurücksteht. Außerdem wischen sie die Tastaturen und Bedienelemente mindestens täglich ab und tragen beim Berühren Handschuhe. Sobald jedoch Proben in die Maschine geladen und erste Ausrichtungen durchgeführt wurden, können fast alle anderen Funktionen ferngesteuert werden.

„Bei einem typischen Experiment mit der Cryo-EM lädt Holly die Proben ein und tritt dann zurück, damit ich hereinkommen und den Forschern bei den Ausrichtungen und der Einrichtung des Laufs helfen kann“, sagte Walters. „Sobald es eingerichtet ist, gehen wir und die Forscher und ich können die Datenerfassung aus der Ferne durchführen und überwachen.“

Trotz dieser Herausforderungen und Komplikationen sind sich alle einig, dass es sich lohnt, die Maschine am Laufen zu halten. Diese Operation ist ein großartiges Beispiel dafür, wie die School of Medicine und die Pratt School of Engineering (wo SMIF ansässig ist) sich gegenseitig unterstützen und bei der wichtigen COVID-19-Forschung zusammenarbeiten.

„Auf dem Weg zur Entwicklung eines sicheren und wirksamen Impfstoffs gegen COVID-19 ist es unbedingt erforderlich, dass wir verstehen, welche Teile des Virus wir für die Immunisierung verwenden müssen“, sagte Colin Duckett, Vizedekan für Grundlagenwissenschaften an der School of Medizin. „Die richtigen Teile werden das Immunsystem trainieren, viral infizierte Zellen ohne schädliche Nebenwirkungen abzutöten, aber das können wir nur herausfinden, wenn wir die aktive Struktur der Schlüsselproteine, insbesondere des Spike-Proteins, kennen.“ Hier kommt Dr. Acharyas Gruppe ins Spiel. Die Fortschritte, die Dr. Acharya und ihr Team so schnell gemacht haben, sind geradezu bemerkenswert.“

Quelle: WRAL TechWire