Duke 연구원들이 $10M 기계를 사용하여 과학, 백신 개발을 발전시키는 방법

 모양에는 무엇이 있나요? 결과적으로는 많이 있습니다. 단백질과 기타 분자의 구조를 매우 세밀하게 이해하는 것은 이들이 어떻게 작동하는지 알아내는 데 핵심이 될 수 있습니다. 그리고 그 지식은 새로운 백신과 치료법 개발의 문을 열 수 있습니다.

이를 달성하기 위해 Duke 연구원들은 극저온 전자 현미경(Cryo-EM)이라는 고급 도구를 사용하여 가장 작은 단백질 조각(원자 수준)의 고해상도 이미지를 신속하게 생성합니다.

이 기술을 개척한 공로로 3명의 연구자가 2017년 노벨 화학상을 수상했습니다. 2018년에 Duke는 보건부 장관 A. Eugene Washington, MD의 자금 지원 덕분에 자체 극저온 EM 기계를 구입하여 설치했다고 의과대학 기초 과학 부학장인 Jennifer Foreman이 말했습니다.

현미경을 수용하고 운영하는 Pratt School of Engineering의 공유 재료 계측 시설 책임자인 Mark Walters 박사는 이 장비를 구입하고 설치하는 데 $8~$1천만 달러가 든다고 말했습니다.

Cryo-EM에 대해 자세히 알아보고 이것이 Duke Human Vaccine Institute의 노력에서 어떻게 일꾼이 되었는지 알아보십시오. 백신을 만들어라 HIV의 경우.

Duke는 CAROLINAS에 있는 단 4개의 CRYO-EM 장비 중 하나를 보유하고 있습니다.

Research Triangle Park에 있는 국립 환경 보건 과학 연구소(NIEHS)는 2017년에 노스캐롤라이나 또는 사우스캐롤라이나에서 최초의 저온 전자 장비를 출시했습니다. Duke와 채플 힐에 있는 노스캐롤라이나 대학도 곧 뒤를 따랐습니다. 2세대 모델인 Duke의 Thermo-Fisher Titan Krios Cryo 투과 전자 현미경은 NIEHS와 UNC-Chapel Hill에 원래 설치된 장비보다 약간 더 높은 해상도로 이미지를 촬영한다고 Walters는 말했습니다.

NIEHS의 Cryo-EM Core 책임자인 Mario J. Borgnia 박사는 2022년 8월에 NIEHS가 Duke에 있는 것과 같은 Titan Krios라는 두 번째 장비를 배치했다고 말했습니다. 세 기관 모두가 분자현미경 컨소시엄, NIEHS에 기반을 두고 있으며 원자 수준에서 분자 구조를 이해하기 위해 극저온-EM 및 기타 현미경 도구의 사용을 장려하고 이를 작업에 사용하려는 이러한 기관의 연구원에게 교육을 제공합니다.

“CRYO-EM”의 의미

현미경 이름의 "cryo" 부분은 단백질이나 다른 표본을 동결시켜 전자빔이 충돌하는 동안 구조를 그대로 유지한다는 의미입니다.

Walters는 전자현미경은 진공 상태에서 이루어지기 때문에 실온에서 표본을 이미지화하려고 하면 "기본적으로 스스로 붕괴될 것"이라고 말했습니다.

이 기계는 무작위 방향으로 수천 개의 정제된 단백질 이미지를 찍는 단일 입자 분석이나 다양한 경사 각도에서 더 큰 생물학적 구조의 이미지를 찍는 단층 촬영을 사용하여 데이터를 수집한다고 Walters는 말했습니다. 연구원들은 컴퓨터 소프트웨어를 사용하여 이미지를 쌓아 고해상도의 3차원 모델을 만듭니다.

바쁜 연구원, 바쁜 기계

Duke의 Cryo-EM 장비는 거의 일주일 내내, 하루 24시간 동안 작동하며 하루에 최대 5,000개의 이미지를 촬영합니다.

직원 Nilakshee Bhattacharya 박사는 기계 작동을 감독하고 연구원들에게 기계 사용 방법을 교육합니다. 높은 수요는 연구원의 비용(시간당 $55)이 상대적으로 낮다는 것을 의미한다고 Walters는 말했습니다. 의과대학의 소수 연구 그룹은 헤비 사용자이며 대부분 생화학과와 Duke Human Vaccine Institute에 있습니다. 노벨상 수상자 Robert Lefkowitz 박사(James B. Duke 의학 석좌 교수)는 현미경을 자주 사용하며 Duke에 극저온 EM을 도입한 옹호자 중 한 명이었습니다.

DUKE의 잠재적인 HIV 백신 개발에 중요한 CRYO-EM

Cryo-EM은 Duke Human Vaccine Institute의 HIV 백신 개발에 매우 중요한 역할을 합니다.

현미경은 Duke의 새로운 연방 자금 지원 HIV 구조 생물학 센터 소장인 Priyamvada Acharya 박사가 HIV와 관련된 구조를 이해하기 위해 사용하는 주요 방법으로 자리 잡았습니다.

Acharya는 "원자 수준의 세부 사항을 해결할 수 있는 데이터를 수집할 수 있는 고급 현미경에 자주 접근하지 않으면 구조 기반 백신 설계에 들어가는 많은 작업이 불가능할 것"이라고 말했습니다.

그녀는 단백질이 기능을 정의하는 독특한 모양으로 접히는 아미노산의 긴 사슬이라고 설명했습니다. 예를 들어, HIV의 경우 HIV-1 Envelope(Env) 단백질의 독특한 모양이 CD4라는 수용체에 대한 결합 부위를 생성합니다. “CD4에 결합한 후 Env의 모양이 바뀌어 추가 수용체에 결합할 수 있게 됩니다.”라고 그녀는 말했습니다.

경로를 더 따라가면 봉투 모양의 더 많은 변화로 인해 HIV가 인간 세포에 들어갈 수 있습니다. Acharya는 이러한 상호 작용의 시각적 모델이 백신 설계 방법을 배우는 데 핵심이라고 말했습니다. "구조 생물학을 통해 우리는 생체 분자의 모양과 역학을 시각화할 수 있으므로 생체 분자의 기능과 이를 변경할 수 있는 능력을 살펴볼 수 있는 창을 제공합니다."

© 듀크대학교 의과대학

(듀크대학교 이미지)

원본 기사 출처: WRAL TechWire