杜克大学研究人员使用强大的显微镜寻找冠状病毒的致命弱点
发布日期：达勒姆 – 尽管杜克大学的大多数研究实验室都已关闭，以防止未来传播 COVID-19 冠状病毒，但为数不多仍保持开放的实验室之一是 共享材料仪器设备 （SMIF），该机构拥有杜克大学共享的洁净室和特性分析设施。在典型的 550 多名 SMIF 用户中，现在只有少数人被允许在该设施中从事 COVID-19 研究。
SMIF 中的一个关键仪器是价值数百万美元的低温电子显微镜（简称 cryo-EM），即 Titan Krios，它能够通过拍摄生物样本的数十万个分子图像，然后用强大的软件对它们进行分类和平均，创建 3D 图像，并最终创建蛋白质模型，从而以原子级细节“看到”蛋白质。
让这台机器继续制作这些原子级图像绝非易事。在新冠病毒肆虐的时代，这台复杂的机器完全由两名工程师提供支持——泰坦·克里奥斯所在的 SMIF 主任马克·沃尔特斯 (Mark Walters) 和 SMIF 工作人员中的低温电子显微镜专家霍莉·莱迪 (Holly Leddy)。
就冠状病毒而言，杜克大学医学院科学家 Priyamvada Acharya 和她的团队正在使用 Krios 来确定冠状病毒刺突蛋白的结构。刺突蛋白是病毒伸出的部分，附着在宿主身上，帮助病毒进入人体细胞。
医学院外科副教授、杜克大学人类疫苗研究所结构生物学部主任阿查里亚博士说：“我们正在利用这些信息从根本上了解刺突蛋白的功能细节，并将这些知识转化为疫苗设计。”
更好地了解刺突的结构和功能还将帮助该团队开发分子钩，从 COVID-19 患者的血液中提取抗体，可用于疫苗开发。
阿查里亚在研发艾滋病毒疫苗的过程中也采用了类似的方法。
她说：“Cryo-EM 可以帮助您快速找出分子间相互作用的细节，从而为您提供操纵这些相互作用的工具，以制造最佳疫苗，触发免疫系统产生保护性抗体。”
但弄清楚这些细节比听起来要难，而且为了确保所有参与者的安全而必须采取的人员和社交距离限制使情况变得更加困难。例如，Titan Krios 的样品室不断消耗液氮，以保持样品处于足够低的温度下进行工作——因此有“低温”一词。而且它就像一头饥饿的野兽。这台机器大约每五天要用掉一大罐液氮。
“由于大楼被封锁，工作人员大幅减少，我们必须密切协调，确保货物在我或 Holly 到达实验室时送达，以便 Airgas 将氮气送入实验室，”Walters 说道。“我们还必须错开时间安排，并在帮助研究人员时保持社交距离。”
例如，每次只能有两个人同时操作 Cryo-EM 控制器，并且这两个人必须保持至少六英尺的距离。这意味着一个人操作控制器时，另一个人站在六英尺以外的地方。他们还至少每天擦拭键盘和控制器一次，并在触摸时戴上手套。但是，一旦将样品装入机器并进行初始校准，几乎所有其他功能都可以远程控制。
“使用 Cryo-EM 的典型实验是 Holly 加载样本然后离开，这样我就可以进来协助研究人员进行比对并设置运行，”Walters 说道。“然后，一旦设置完成，我们就可以离开，研究人员和我可以远程运行和监控数据收集。”
尽管存在这些挑战和复杂性，但每个人都同意，保持机器运转是值得的。这次行动是医学院和普拉特工程学院（SMIF 所在地）相互支持并共同开展关键 COVID-19 研究的一个很好的例子。
“随着我们朝着开发安全有效的 COVID-19 疫苗的目标迈进，我们必须了解需要使用病毒的哪些部分进行免疫，”医学院基础科学副院长 Colin Duckett 表示。“正确的部分将训练免疫系统杀死病毒感染的细胞而不会产生有害的副作用，但只有了解关键蛋白质（尤其是刺突蛋白）的活性结构，我们才能弄清楚这一点。这就是 Acharya 博士团队的作用所在。Acharya 博士和她的团队如此迅速地取得进展，这真是令人惊叹。”