חוקרי דיוק משתמשים במיקרוסקופ רב עוצמה כדי לחפש עקב אכילס בנגיף הקורונה
תאריך פרסום:DURHAM – למרות שרוב מעבדות המחקר באוניברסיטת דיוק סגורות כדי למנוע העברה עתידית של נגיף הקורונה COVID-19, אחת הבודדות שנותרו פתוחות היא מתקן מכשור לחומרים משותפים (SMIF), המאכלס חדר נקי משותף של Duke ומתקני אפיון. ומתוך 550+ משתמשי SMIF טיפוסיים, רק מעטים מורשים כעת לעבוד במתקן על מחקר COVID-19.
אחד ממכשירי המפתח ב-SMIF הוא מיקרוסקופ קריו-אלקטרונים של מיליוני דולרים (בקיצור cryo-EM), ה-Titan Krios, המסוגל "לראות" חלבונים ברמת אטום על ידי צילום של מאות אלפי תמונות מולקולריות. של דגימה ביולוגית ולאחר מכן סיווג וממוצע שלהם עם תוכנה רבת עוצמה כדי ליצור תמונה תלת מימדית, ובסופו של דבר, מודל של החלבון.
ולשמור על המכונה ליצור את התמונות ברמה האטומית האלה זה לא הישג קל. בתקופת נגיף הקורונה, המכונה המורכבת נתמכת לחלוטין על ידי שני מהנדסים בלבד - מארק וולטרס, מנהל SMIF, בה שוכן הטיטאן קריוס, והולי לדי, מומחית קריו-EM בצוות SMIF.
במקרה של נגיף הקורונה, מדען בית הספר לרפואה Duke Priyamvada Acharya והצוות שלה משתמשים ב-Krios כדי לקבוע מבנים של חלבון ספייק הקורונה - החלק של הנגיף שבולט החוצה, מתחבר למארח ועוזר לנגיף להיכנס לתוך האדם תאים.
"אנחנו משתמשים במידע כדי ללמוד, ברמה בסיסית, פרטים על אופן פעולת הספייק, ולתרגם את הידע הזה לתכנון חיסונים", אמר Acharya, PhD, פרופסור חבר לכירורגיה בבית הספר לרפואה ומנהל החטיבה לביולוגיה מבנית במכון החיסון האנושי של דיוק.
הבנה טובה יותר של המבנה והתפקוד של הספייק גם תעזור לצוות לפתח ווים מולקולריים כדי לשלוף נוגדנים מדמם של חולי COVID-19, שיכולים לשמש לפיתוח חיסונים.
אצ'ריה השתמשה בגישה דומה במסעה לפתח חיסון ל-HIV.
"Cryo-EM עוזר לך להבין במהירות את הפרטים הקטנים של אינטראקציות בין-מולקולריות, ובכך נותן לך את הכלים לתמרן את האינטראקציות הללו כדי ליצור את החיסונים הטובים ביותר כדי להפעיל את המערכת החיסונית ליצור נוגדנים מגנים," אמרה.
אבל להבין את הפרטים הקטנים האלה קשה יותר ממה שזה נשמע, והיא הופכת לקשה עוד יותר על ידי הצוות וההגבלות על ההתרחקות הנדרשות כדי לשמור על בטיחות כל המעורבים. לדוגמה, תא הדגימות של Titan Krios צורך ברציפות חנקן נוזלי כדי לשמור על דגימות בטמפרטורות נמוכות מספיק כדי לעבוד - ומכאן המונח "קריו". וזו חיה רעבה. המכונה עוברת מיכל גדול של חנקן נוזלי בערך כל חמישה ימים.
"עם נעול הבניין ועם צוות מצומצם משמעותית, עלינו לתאם באופן הדוק כדי לוודא שהמשלוחים מגיעים כאשר הולי או אני כאן כדי להכניס את אספקת החנקן של Airgas למעבדה", אמר וולטרס. "אנחנו גם צריכים לסדר את לוחות הזמנים שלנו ולתרגל ריחוק חברתי בזמן שאנחנו עוזרים לחוקרים."
לדוגמה, רק שני אנשים מותרים בבקרות Cryo-EM בו-זמנית, ושני האנשים האלה חייבים לשמור על מרחק של שישה רגל אחד מהשני לפחות. זה אומר שאדם אחד יפעל על הפקדים בעוד השני עומד לאחור יותר ממטר וחצי. הם גם מנגבים את המקלדות והפקדים לפחות מדי יום ולובשים כפפות כשנוגעים בהם. עם זאת, לאחר טעינת דגימות למכונה וביצוע יישור ראשוני, כמעט כל הפונקציות האחרות ניתנות לשליטה מרחוק.
"ניסוי טיפוסי בשימוש ב-Cryo-EM גרם להולי להעמיס את הדגימות ואז להתרחק כדי שאוכל להיכנס ולסייע לחוקרים עם היישורים ולהגדיר את הריצה", אמר וולטרס. "ואז ברגע שזה הוגדר, אנחנו עוזבים ואני והחוקרים יכולים להפעיל ולנטר את איסוף הנתונים מרחוק."
למרות האתגרים והסיבוכים הללו, כולם מסכימים ששמירה על המכונה פועלת שווה את הטרחה. הפעולה הזו היא דוגמה מצוינת לאופן שבו בית הספר לרפואה ובית הספר להנדסה פראט (שם שוכן SMIF) תומכים זה בזה ועובדים יחד על מחקר קריטי של COVID-19.
"כשאנחנו מתקדמים לקראת פיתוח של חיסון בטוח ויעיל ל-COVID-19, זה הכרחי שנבין באילו חלקים של הנגיף אנחנו צריכים להשתמש לצורך חיסון", אמר קולין דאקט, סגן דיקן למדעים בסיסיים בבית הספר של תרופה. "החלקים הנכונים יאמנו את המערכת החיסונית להרוג תאים נגועים בנגיף ללא תופעות לוואי מזיקות, אבל אנחנו יכולים להבין את זה רק אם אנחנו יודעים את המבנה הפעיל של חלבוני המפתח, במיוחד חלבון הספייק. כאן נכנסת לתמונה הקבוצה של ד"ר אכריה. ההתקדמות שד"ר אצ'ריה והצוות שלה עשו כל כך מהר היא לא פחות ממדהימה".