I ricercatori della Duke utilizzano un potente microscopio per cercare il tallone d’Achille nel coronavirus
Data di pubblicazione:DURHAM – Sebbene la maggior parte dei laboratori di ricerca della Duke University siano chiusi per prevenire la futura trasmissione del coronavirus COVID-19, uno dei pochi a rimanere aperto è il Struttura di strumentazione dei materiali condivisi (SMIF), che ospita una camera bianca condivisa Duke e strutture di caratterizzazione. E degli oltre 550 tipici utenti SMIF, solo a pochi ora è consentito lavorare nella struttura sulla ricerca sul COVID-19.
Uno degli strumenti chiave dell'SMIF è un criomicroscopio elettronico multimilionario (in breve crio-EM), il Titan Krios, che è in grado di "vedere" le proteine in dettaglio a livello atomico acquisendo centinaia di migliaia di immagini molecolari di un campione biologico e quindi classificandoli e calcolandone la media con un potente software per creare un'immagine 3D e, infine, un modello della proteina.
E far sì che la macchina crei queste immagini a livello atomico non è un’impresa facile. Ai tempi del coronavirus, la complessa macchina è interamente supportata da soli due ingegneri: Mark Walters, direttore dell'SMIF, in cui risiede il Titan Krios, e Holly Leddy, una specialista di crio-EM nello staff dell'SMIF.
Nel caso del coronavirus, la scienziata Priyamvada Acharya della Duke School of Medicine e il suo team stanno utilizzando il Krios per determinare le strutture della proteina spike del coronavirus, la parte del virus che sporge, si attacca all’ospite e aiuta il virus a entrare nell’organismo umano. cellule.
"Stiamo utilizzando le informazioni per apprendere, a livello di base, i dettagli di come funziona il picco e tradurre queste conoscenze per la progettazione del vaccino", ha affermato Acharya, PhD, professore associato di chirurgia presso la Scuola di Medicina e direttore della Divisione. di Biologia Strutturale presso il Duke Human Vaccine Institute.
Una migliore comprensione della struttura e della funzione del picco aiuterà anche il team a sviluppare ganci molecolari per estrarre anticorpi dal sangue dei pazienti affetti da COVID-19, che potrebbero essere utilizzati per lo sviluppo di vaccini.
Acharya ha utilizzato un approccio simile nel suo tentativo di sviluppare un vaccino contro l’HIV.
“Cryo-EM ti aiuta a capire rapidamente i dettagli più fini delle interazioni intermolecolari, dandoti così gli strumenti per manipolare tali interazioni per creare i migliori vaccini per innescare il sistema immunitario a produrre anticorpi protettivi”, ha affermato.
Ma comprendere questi dettagli è più difficile di quanto sembri ed è reso ancora più difficile dal personale e dalle restrizioni di distanziamento rese necessarie per mantenere al sicuro tutte le persone coinvolte. Ad esempio, la camera dei campioni del Titan Krios consuma continuamente azoto liquido per mantenere i campioni a temperature sufficientemente basse da funzionare, da qui il termine "crio". Ed è una bestia affamata. La macchina attraversa un grande contenitore di azoto liquido circa ogni cinque giorni.
"Con l'edificio chiuso a chiave e con uno staff significativamente ridotto, dobbiamo coordinarci da vicino per assicurarci che le consegne arrivino quando Holly o io saremo qui per far entrare l'azoto di Airgas nel laboratorio", ha affermato Walters. “Dobbiamo anche scaglionare i nostri orari e praticare il distanziamento sociale mentre aiutiamo i ricercatori”.
Ad esempio, ai controlli Cryo-EM sono ammesse solo due persone alla volta e queste due persone devono mantenere una distanza di almeno sei piedi l'una dall'altra. Ciò significa che una persona lavorerà sui controlli mentre l'altra starà indietro di più di un metro e ottanta. Inoltre puliscono le tastiere e i controlli almeno ogni giorno e indossano guanti quando li toccano. Tuttavia, una volta caricati i campioni nella macchina e eseguiti gli allineamenti iniziali, quasi tutte le altre funzioni possono essere controllate da remoto.
"Un tipico esperimento che utilizza Cryo-EM prevede che Holly carichi i campioni e poi si allontani in modo che io possa entrare e assistere i ricercatori con gli allineamenti e l'impostazione della corsa", ha affermato Walters. "Quindi, una volta impostato, partiamo e io e i ricercatori possiamo eseguire e monitorare la raccolta dei dati da remoto."
Nonostante queste sfide e complicazioni, tutti concordano sul fatto che vale la pena mantenere la macchina in funzione. Questa operazione è un ottimo esempio di come la School of Medicine e la Pratt School of Engineering (dove risiede la SMIF) si supportano a vicenda e lavorano insieme sulla ricerca critica sul COVID-19.
"Mentre ci muoviamo verso lo sviluppo di un vaccino sicuro ed efficace per il COVID-19, è assolutamente imperativo comprendere quali parti del virus dobbiamo utilizzare per l'immunizzazione", ha affermato Colin Duckett, vice preside per le scienze di base presso la School of Medicinale. “Le parti giuste addestreranno il sistema immunitario a uccidere le cellule infettate dal virus senza effetti collaterali dannosi, ma possiamo capirlo solo se conosciamo la struttura attiva delle proteine chiave, in particolare della proteina spike. È qui che entra in gioco il gruppo della Dott.ssa Acharya. I progressi che la Dott.ssa Acharya e il suo team hanno compiuto così rapidamente sono a dir poco notevoli”.