Comment les chercheurs de Duke utilisent une machine $10M pour faire progresser la science et le développement de vaccins

 Qu'y a-t-il dans une forme ? Il s’avère que c’est beaucoup. Comprendre les structures des protéines et d’autres molécules de manière extrêmement détaillée peut être essentiel pour découvrir leur fonctionnement. Et ces connaissances peuvent ouvrir la porte au développement de nouveaux vaccins et traitements.

Pour ce faire, les chercheurs de Duke ont accès à un outil avancé appelé microscopie électronique cryogénique (Cryo-EM), qui crée rapidement des images haute résolution des plus petits morceaux de protéines (au niveau atomique).

Trois chercheurs ont remporté le prix Nobel de chimie 2017 pour avoir été pionniers dans cette technique. En 2018, Duke a acquis et installé sa propre machine cryo-EM, grâce au financement du chancelier chargé des affaires de santé A. Eugene Washington, MD, a déclaré Jennifer Foreman, doyenne adjointe pour les sciences fondamentales à la faculté de médecine.

L'achat et l'installation de l'instrument ont coûté entre $8 et $10 millions, y compris les rénovations nécessaires, a déclaré Mark Walters, PhD, directeur de l'installation d'instrumentation des matériaux partagés de la Pratt School of Engineering, qui héberge et gère le microscope.

Lisez la suite pour en savoir plus sur Cryo-EM et comment il est devenu un outil de travail dans les efforts du Duke Human Vaccine Institute pour créer un vaccin pour le VIH.

DUKE ACCUEILLE L'UN DES QUATRE INSTRUMENTS CRYO-EM DANS LES CAROLINES

L'Institut national des sciences de la santé environnementale (NIEHS) de Research Triangle Park a lancé le premier instrument cryo-EM en Caroline du Nord ou du Sud en 2017. Duke et l'Université de Caroline du Nord à Chapel Hill ont rapidement emboîté le pas. Le microscope électronique à transmission Thermo-Fisher Titan Krios Cryo de Duke, un modèle de deuxième génération, prend des images avec une résolution un peu plus élevée que les instruments initialement installés au NIEHS et à l'UNC-Chapel Hill, a déclaré Walters.

En août 2022, le NIEHS a déployé son deuxième instrument, un Titan Krios comme celui de Duke, a déclaré Mario J. Borgnia, PhD, directeur du Cryo-EM Core au NIEHS. Les trois institutions font partie du Consortium de microscopie moléculaire, basé au NIEHS, qui promeut l'utilisation de la cryo-EM et d'autres outils de microscopie pour comprendre les structures moléculaires au niveau atomique et propose une formation aux chercheurs de ces institutions qui souhaitent les utiliser dans leurs travaux.

SIGNIFICATION DE «CRYO-EM»

La partie « cryo » du nom du microscope signifie qu'il gèle les protéines ou d'autres échantillons pour conserver leurs structures intactes pendant qu'un faisceau d'électrons les frappe.

La microscopie électronique a lieu dans le vide, a déclaré Walters, donc si vous essayiez d'imager les spécimens à température ambiante, "ils s'effondreraient sur eux-mêmes".

La machine collecte des données en utilisant soit l'analyse de particules uniques, qui prend des milliers d'images de protéines purifiées dans des orientations aléatoires, soit la tomographie, dans laquelle des images de structures biologiques plus grandes sont prises sous différents angles d'inclinaison, a déclaré Walters. Les chercheurs utilisent un logiciel informatique pour empiler les images afin de créer des modèles tridimensionnels haute résolution.

CHERCHEURS OCCUPÉS, MACHINE OCCUPÉE

L'instrument Cryo-EM de Duke fonctionne près de 7 jours sur 7, 24 heures sur 24, prenant jusqu'à 5 000 images par jour.

Nilakshee Bhattacharya, PhD, membre du personnel, supervise le fonctionnement de la machine et forme les chercheurs à son utilisation. La forte demande signifie que le coût pour les chercheurs – $55 par heure – est relativement faible, a déclaré Walters. Une poignée de groupes de recherche de l’École de médecine en sont de gros utilisateurs, la plupart appartenant au Département de biochimie et au Duke Human Vaccine Institute. Le lauréat du prix Nobel Robert Lefkowitz, MD, professeur émérite de médecine James B. Duke, utilise fréquemment le microscope et a été l'un des partisans de l'introduction de la cryo-EM à Duke.

CRYO-EM CRUCIAL POUR LE DÉVELOPPEMENT POTENTIEL D'UN VACCIN CONTRE LE VIH CHEZ DUKE

Cryo-EM est crucial dans la quête du Duke Human Vaccine Institute visant à développer un vaccin contre le VIH.

Le microscope est devenu la principale méthode utilisée par Priyamvada Acharya, PhD, directrice du nouveau Centre de biologie structurale du VIH de Duke, financé par le gouvernement fédéral, pour comprendre les structures liées au VIH.

« Sans un accès fréquent et facile à un microscope haut de gamme capable de collecter des données nous permettant de résoudre les détails au niveau atomique, une grande partie du travail consacré à la conception de vaccins basés sur la structure ne serait pas possible », a déclaré Acharya.

Elle a expliqué que les protéines sont de longues chaînes d’acides aminés qui se replient selon une forme distincte qui définit leur fonction. Avec le VIH, par exemple, la forme unique de la protéine de l'enveloppe du VIH-1 (Env) crée un site de liaison pour un récepteur appelé CD4. "Après la liaison au CD4, la forme de l'Env change, lui permettant de se lier à des récepteurs supplémentaires", a-t-elle déclaré.

Plus loin dans le processus, d'autres changements dans la forme de l'enveloppe permettent au VIH de pénétrer dans les cellules humaines. Les modèles visuels de ces interactions sont essentiels pour apprendre à concevoir un vaccin, a déclaré Acharya. "La biologie structurale nous permet de visualiser la forme et la dynamique des biomolécules, ouvrant ainsi une fenêtre sur leur fonction et la capacité de la modifier."

© École de médecine de l'Université Duke

(Image de l'Université Duke)

Source originale de l’article : WRAL TechWire