Duke-forskare använder kraftfullt mikroskop för att söka efter akilleshäl i coronavirus
Publiceringsdatum:DURHAM – Även om de flesta forskningslaboratorier vid Duke University är stängda för att förhindra framtida överföring av covid-19 coronavirus, är en av de få som förblir öppna Instrumenteringsanläggning för delad material (SMIF), som inrymmer ett Duke delat renrum och karaktäriseringsfaciliteter. Och av de typiska 550+ SMIF-användarna är det nu bara ett fåtal som får arbeta i anläggningen med forskning om covid-19.
Ett av nyckelinstrumenten i SMIF är ett kryoelektronmikroskop på flera miljoner dollar (kortat kryo-EM), Titan Krios, som kan "se" proteiner i detalj på atomnivå genom att ta hundratusentals molekylära bilder av ett biologiskt prov och sedan klassificera och medelvärdesbestämma dem med kraftfull programvara för att skapa en 3D-bild, och i slutändan en modell av proteinet.
Och att behålla maskinen och skapa dessa bilder på atomnivå är ingen lätt bedrift. Under coronavirusets tid stöds den komplexa maskinen helt av endast två ingenjörer – Mark Walters, chef för SMIF, där Titan Krios bor, och Holly Leddy, en cryo-EM-specialist på SMIF-personalen.
I fallet med coronaviruset använder Duke School of Medicine-forskaren Priyamvada Acharya och hennes team Krios för att bestämma strukturerna för spikproteinet från coronaviruset - den del av viruset som sticker ut, fäster med värden och hjälper viruset att komma in i människan celler.
"Vi använder informationen för att lära oss, på en grundläggande nivå, detaljer om hur spiken fungerar och översätta denna kunskap för vaccindesign", säger Acharya, PhD, docent i kirurgi vid School of Medicine och chef för divisionen i strukturbiologi vid Duke Human Vaccine Institute.
Bättre förståelse för spikens struktur och funktion kommer också att hjälpa teamet att utveckla molekylära krokar för att dra ut antikroppar från blodet från covid-19-patienter, som kan användas för vaccinutveckling.
Acharya har använt ett liknande tillvägagångssätt i sin strävan att utveckla ett vaccin mot HIV.
"Cryo-EM hjälper dig att snabbt ta reda på de fina detaljerna i intermolekylära interaktioner, och ger dig därigenom verktygen att manipulera dessa interaktioner för att göra de bästa vaccinerna för att trigga immunsystemet att göra skyddande antikroppar," sa hon.
Men att ta reda på dessa fina detaljer är svårare än det låter och görs ännu svårare av personalen och avståndsrestriktioner som är nödvändiga för att hålla alla inblandade säkra. Till exempel förbrukar Titan Krios provkammare kontinuerligt flytande kväve för att hålla proverna vid tillräckligt låga temperaturer för att fungera - därav termen "kryo". Och det är en hungrig best. Maskinen går igenom en stor kapsel med flytande kväve ungefär var femte dag.
"Med byggnaden som är låst och med en avsevärt reducerad personalstyrka måste vi samordna oss noga för att se till att leveranserna kommer när Holly eller jag är här för att släppa in Airgas kväveleverans till labbet", säger Walters. "Vi måste också förskjuta våra scheman och träna social distansering medan vi hjälper forskarna."
Till exempel är endast två personer tillåtna vid Cryo-EM-kontrollerna åt gången, och dessa två personer måste hålla ett avstånd på minst sex fot från varandra. Det betyder att en person kommer att arbeta med kontrollerna medan den andra står tillbaka mer än sex fot. De torkar också av tangentbord och kontroller åtminstone dagligen och bär handskar när de rör vid dem. När prover väl har laddats in i maskinen och de första justeringarna har utförts kan nästan alla andra funktioner fjärrstyras.
"Ett typiskt experiment med Cryo-EM har gjort att Holly laddar proverna och sedan går iväg så att jag kan komma in och hjälpa forskarna med anpassningarna och att få körningen i ordning," sa Walters. "Så när det väl är konfigurerat går vi och forskarna och jag kan köra och övervaka datainsamling på distans."
Trots dessa utmaningar och komplikationer är alla överens om att det är värt besväret att hålla maskinen igång. Denna operation är ett bra exempel på hur School of Medicine och Pratt School of Engineering (där SMIF är bosatt) stödjer varandra och arbetar tillsammans med kritisk covid-19-forskning.
"När vi går mot utvecklingen av ett säkert och effektivt vaccin mot covid-19, är det absolut nödvändigt att vi förstår vilka delar av viruset vi behöver använda för immunisering", säger Colin Duckett, vice dekan för grundläggande vetenskaper vid School of Medicin. "Rätt delar kommer att träna immunförsvaret att döda virusinfekterade celler utan skadliga biverkningar, men vi kan bara ta reda på det om vi känner till den aktiva strukturen hos nyckelproteinerna, speciellt spikeproteinet. Det är där Dr. Acharyas grupp kommer in. De framsteg som Dr. Acharya och hennes team har gjort så snabbt är inget annat än anmärkningsvärt.”