Naukowcy z Duke używają potężnego mikroskopu do poszukiwania pięty Achillesa w koronawirusie
Data opublikowania:DUHAM – Chociaż większość laboratoriów badawczych na Uniwersytecie Duke jest zamknięta, aby zapobiec przenoszeniu się wirusa SARS-CoV-2 w przyszłości, jednym z niewielu, które pozostanie otwarte, jest Instrument do udostępniania materiałów (SMIF), w którym mieści się wspólne pomieszczenie czyste Duke'a i zaplecze do charakteryzacji. A spośród typowych ponad 550 użytkowników SMIF tylko nieliczni mogą teraz pracować w placówce przy badaniach nad COVID-19.
Jednym z kluczowych instrumentów SMIF jest wart wiele milionów dolarów mikroskop krioelektronowy (w skrócie Cryo-EM), Titan Krios, który jest w stanie „zobaczyć” białka ze szczegółami na poziomie atomowym poprzez wykonanie setek tysięcy obrazów molekularnych próbki biologicznej, a następnie sklasyfikować je i uśrednić za pomocą zaawansowanego oprogramowania w celu stworzenia obrazu 3D, a ostatecznie modelu białka.
Utrzymanie maszyny tworzącej obrazy na poziomie atomowym nie jest łatwym zadaniem. W czasach wirusa złożoną maszynę w całości wspiera tylko dwóch inżynierów – Mark Walters, dyrektor SMIF, w którym znajduje się Titan Krios, oraz Holly Leddy, specjalistka Cryo-EM w zespole SMIF.
W przypadku wirusa naukowiec z Duke School of Medicine, Priyamvada Acharya i jej zespół, używają Krios do określenia struktury białka kolczastego wirusa – tej części wirusa, która wystaje, łączy się z żywicielem i pomaga wirusowi przedostać się do organizmu człowieka. komórki.
„Wykorzystujemy te informacje, aby poznać na podstawowym poziomie szczegóły działania kolca i przełożyć tę wiedzę na potrzeby projektowania szczepionki” – powiedział dr Acharya, profesor nadzwyczajny chirurgii w Szkole Medycznej i dyrektor oddziału biologii strukturalnej w Instytucie Szczepionek dla Ludzi Duke'a.
Lepsze zrozumienie struktury i funkcji kolca pomoże także zespołowi opracować haczyki molekularne do wyciągania przeciwciał z krwi pacjentów z Covid-19, które można wykorzystać do opracowania szczepionki.
Acharya stosuje podobne podejście w swoich poszukiwaniach szczepionki na HIV.
„Cryo-EM pomaga szybko poznać najdrobniejsze szczegóły interakcji międzycząsteczkowych, zapewniając w ten sposób narzędzia do manipulowania tymi interakcjami w celu stworzenia najlepszych szczepionek, które pobudzą układ odpornościowy do wytworzenia przeciwciał ochronnych” – powiedziała.
Jednak ustalenie tych drobnych szczegółów jest trudniejsze, niż się wydaje, a jeszcze trudniejsze jest to ze względu na personel i ograniczenia dotyczące dystansu, które są niezbędne, aby zapewnić bezpieczeństwo wszystkim zaangażowanym. Na przykład komora próbek Titan Krios w sposób ciągły zużywa ciekły azot, aby utrzymać próbki w wystarczająco niskiej temperaturze, aby mogły pracować – stąd określenie „krio”. I to jest głodna bestia. Maszyna przechodzi przez duży pojemnik z ciekłym azotem mniej więcej co pięć dni.
„Ponieważ budynek jest zamknięty i przy znacznie zmniejszonej liczbie personelu, musimy ściśle współpracować, aby mieć pewność, że dostawy dotrą, kiedy Holly i ja będziemy na miejscu, aby umożliwić dostawę azotu Airgas do laboratorium” – powiedział Walters. „Musimy także rozłożyć nasze harmonogramy i ćwiczyć dystans społeczny, pomagając badaczom”.
Na przykład przy sterach Cryo-EM mogą przebywać jednocześnie tylko dwie osoby i te dwie osoby muszą zachować odległość co najmniej sześciu stóp od siebie. Oznacza to, że jedna osoba będzie obsługiwać elementy sterujące, podczas gdy druga będzie cofnięta o ponad sześć stóp. Przynajmniej codziennie wycierają klawiatury i elementy sterujące, a dotykając ich, noszą rękawiczki. Jednak po załadowaniu próbek do maszyny i przeprowadzeniu wstępnego ustawienia niemal wszystkimi innymi funkcjami można sterować zdalnie.
„Typowy eksperyment z użyciem Cryo-EM polega na tym, że Holly ładuje próbki, a następnie odsuwa się, abym mógł wejść i pomóc badaczom w ustawieniu i przygotowaniu cyklu” – powiedział Walters. „Po skonfigurowaniu wychodzimy, a badacze i ja możemy zdalnie prowadzić i monitorować gromadzenie danych”.
Pomimo tych wyzwań i komplikacji wszyscy zgadzają się, że utrzymanie działającej maszyny jest warte wysiłku. Ta operacja jest doskonałym przykładem tego, jak Wyższa Szkoła Medyczna i Pratt School of Engineering (gdzie mieści się SMIF) wspierają się nawzajem i współpracują nad krytycznymi badaniami nad COVID-19.
„W miarę jak zmierzamy w kierunku opracowania bezpiecznej i skutecznej szczepionki na Covid-19, absolutnie konieczne jest, abyśmy zrozumieli, jakich części wirusa potrzebujemy do zaszczepienia” – powiedział Colin Duckett, prodziekan ds. nauk podstawowych w School of Medycyna. „Właściwe części wytrenują układ odpornościowy do zabijania komórek zakażonych wirusem bez szkodliwych skutków ubocznych, ale możemy to ustalić tylko wtedy, gdy znamy aktywną strukturę kluczowych białek, zwłaszcza białka kolczastego. I tu z pomocą przychodzi grupa dr Acharyi. Postęp, jaki dr Acharya i jej zespół poczynili tak szybko, jest po prostu niezwykły.”