デューク大学の研究者が $10M マシンを使用して科学とワクチン開発を進歩させている方法

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 形には何がありますか?結局のところ、たくさんあります。タンパク質やその他の分子の構造を非常に詳細に理解することは、それらがどのように機能するかを解明する鍵となります。そしてその知識は、新しいワクチンや治療法の開発への扉を開く可能性があります。

これを達成するために、デューク大学の研究者は、極低温電子顕微鏡 (Cryo-EM) と呼ばれる高度なツールを利用して、タンパク質の最小部分 (原子レベル) の高解像度画像を迅速に作成できます。

この技術の先駆者として3人の研究者が2017年のノーベル化学賞を受賞した。医学部基礎科学部長補佐のジェニファー・フォアマン氏によると、デューク大学は2018年に保健問題担当のA・ユージーン・ワシントン医学博士からの資金提供のおかげで、独自のクライオEMマシンを取得して設置したという。

この装置の購入と設置には、それに対応するための改修も含めて$8から$1,000万の費用がかかったと、顕微鏡を収容して運営しているプラット工学大学院の共有材料計測施設の所長であるマーク・ウォルターズ博士は述べた。

Cryo-EM の詳細と、それがデューク ヒト ワクチン研究所の取り組みにおいてどのように主力となったかについて詳しく知りましょう。 ワクチンを作る HIVの場合。

デュークには、カロライナ州にわずか 4 台しかない極低温電磁装置のうちの 1 台があります。

リサーチ トライアングル パークにある国立環境衛生科学研究所 (NIEHS) は、2017 年にノースカロライナ州またはサウスカロライナ州で初のクライオ EM 装置を発売しました。デューク大学とノースカロライナ大学チャペルヒル校もすぐにこれに続きました。ウォルターズ氏によると、デューク社のサーモフィッシャー タイタン クリオス クライオ透過型電子顕微鏡は第 2 世代モデルで、NIEHS や UNC チャペルヒルに元々設置されていた装置よりも若干高い解像度で画像を撮影できるという。

2022年8月、NIEHSは2番目の装置であるデューク大学のものと同様のTitan Kriosを配備した、とNIEHSのCryo-EM Core所長であるMario J. Borgnia博士は語った。 3 つの機関はすべて、 分子顕微鏡コンソーシアムは NIEHS に拠点を置き、分子構造を原子レベルで理解するためにクライオ EM およびその他の顕微鏡ツールの使用を促進し、研究でそれらを使用したいと考えているこれらの機関の研究者にトレーニングを提供しています。

「クライオエム」の意味

顕微鏡名の「クライオ」の部分は、電子ビームが当たる間、タンパク質やその他の標本を凍結させ、その構造を無傷に保つことを意味します。

電子顕微鏡検査は真空中で行われるため、室温で標本を画像化しようとすると、「標本は基本的に崩壊してしまうだろう」とウォルターズ氏は述べた。

ウォルターズ氏によると、この機械は、ランダムな方向で精製タンパク質の画像を数千枚撮影する単一粒子分析か、より大きな生物学的構造の画像をさまざまな傾斜角で撮影するトモグラフィーのいずれかを使用してデータを収集するという。研究者はコンピューター ソフトウェアを使用して画像を積み重ね、高解像度の 3 次元モデルを作成します。

忙しい研究者も忙しい機械も

Duke の Cryo-EM 装置は、ほぼ年中無休、1 日 24 時間稼働し、1 日あたり 5,000 枚もの画像を撮影します。

スタッフの Nilakshee Bhattacharya 博士は、機械の操作を監督し、研究者にその使用法を訓練します。需要が高いということは、研究者のコスト(1時間あたり$55)が比較的低いことを意味するとウォルターズ氏は語った。医学部内の少数の研究グループはヘビーユーザーであり、そのほとんどは生化学教室とデュークヒトワクチン研究所に所属しています。ノーベル賞受賞者ロバート・レフコウィッツ医学博士、ジェームス・B・デューク医学特別教授は顕微鏡を頻繁に使用しており、デューク大学にクライオEMを導入する提唱者の一人でした。

CRYO-EMはデューク大学におけるHIVワクチン開発の可能性にとって極めて重要

クライオ EM は、デューク ヒューマン ワクチン研究所の HIV ワクチン開発の探求において極めて重要です。

顕微鏡は、デューク大学の新しい連邦資金によるHIV構造生物学センターの所長であるプリヤンヴァダ・アチャリヤ博士が、HIVに関連する構造を理解するために使用する主な方法として引き継がれました。

「原子レベルの詳細を解明できるデータを収集できるハイエンドの顕微鏡に頻繁にいつでもアクセスできなければ、構造に基づいたワクチン設計に関わる作業の多くは不可能だろう」とアチャリヤ氏は述べた。

彼女は、タンパク質はアミノ酸の長い鎖であり、それらが折りたたまれて機能を定義する明確な形状になると説明しました。たとえば、HIV の場合、HIV-1 エンベロープ (Env) タンパク質の独特の形状により、CD4 と呼ばれる受容体への結合部位が形成されます。 「CD4に結合すると、Envの形状が変化し、追加の受容体に結合できるようになります」と彼女は言う。

経路をさらに下ると、エンベロープの形状がさらに変化し、HIV がヒトの細胞に侵入できるようになります。これらの相互作用の視覚的モデルは、ワクチンの設計方法を学ぶ鍵となるとアチャリヤ氏は述べた。 「構造生物学により、生体分子の形状とダイナミクスを視覚化できるため、生体分子の機能とそれを変更する能力を知ることができます。」

© デューク大学医学部

(デューク大学の画像)

元の記事の出典: WRAL TechWire