「ブロボロジー」から原子精度まで: クライオに関するウィスコンシン州のリーダーシップ

カレン・ローリー・ミラー著 | 2023 年 1 月 3 日

顕微鏡は、多くの人が高校の生物の授業で覚えているものから大きく進歩しました。 科学者はレンズを通して覗く代わりに、形状を保持するために凍結されたタンパク質構造に電子ビームを照射することで 3D 画像を作成できるようになりました。

クライオ電子顕微鏡またはクライオ EM と呼ばれるこの最先端技術は、ウィスコンシン州マディソン校生化学部門とモルグリッジ研究所との間の有望な協力関係を推進します。 遅れをとる危険性があることを認識していたパートナーは、キャンパス内に幅広い研究をサポートするセンターの建設に取り組み、現在はトレーニングと研究開発の全国的な拠点となっています。

Cryo-EM は、分子の構造のより鮮明で詳細な画像を取得することを目的としています。 科学者は、たとえば、病気によってタンパク質がどのように機能不全に陥るか、新薬を開発する際にどのようにタンパク質を標的にするかを理解するために、この原子レベルの解像度を必要とします。 試料は液体エタン中で急速冷凍されるため、画像を確保するために電子が衝突するたびに必然的に発生する損傷を軽減できます。

「私たちは、計算、本格的なアルゴリズム開発、およびこれらの顕微鏡を使用して生物学上の困難な問題を調べる方法についての考え方のさまざまな側面を開拓しています。」

このテクノロジーの歴史は 1974 年に遡りますが、この分野は約 10 年前、より高度なハードウェアが市場に登場したときにブームになり始めました。 国内の多くの大学と同様に、ウィスコンシン州マディソン校もクライオ EM に真剣に取り組む必要があり、そうしないと大きく後れを取る危険があることに気づきました。 モルグリッジ大学と生化学部門の研究者らは、世界最高の専門家をキャンパスに招き、講演会を開催し、それがどのように機能するかを学び、何をする必要があるかを理解できるようにし始めた。

2018 年に、国立衛生研究所が単一粒子分析のための 3 つの国立クライオ EM センターを開発したとき、この分野は米国で始まりました。これは、科学者が 1 つの画像で粒子を観察したいという一種のプラグアンドプレイ アプローチです。検体。

ウィスコンシン大学マディソン校は、断層撮影と呼ばれるより複雑なアプローチに焦点を当てた独自のセンターを設立することを決定しました。 人間が MRI を受けるのと同じように、標本を回転させ、あらゆる角度から 120 ～ 140 枚の画像を撮影して分子を再構成します。

モルグリッジ氏と生化学部門は2018年に協力して、エモリー大学からエリザベス・ライト氏を採用した。彼女は同大学で同様のクライオEMセンターをゼロから構築した。 NIH がクライオ EM 断層撮影センターを支援する提案を出したとき、すべてがうまくいきました。マディソン大学が申請し、勝ち取りました。

パートナーシップの深さは最初から明らかでした。 州立大学を通じて高価な機器を購入するには、2年もかかる場合もある困難を乗り越える必要があるため、同学部はモルグリッジ氏が顕微鏡を確保できれば他の費用を負担することを提案した。 「その後、私たちはすべての交渉を行いました。私たちはお互いを十分に信頼していたので、うまくいくだろうと確信していましたし、実際にうまくいきました」とモルグリッジの CEO、ブラッド・シュワルツは言います。

繊細な機器を動かないようにするために防振テーブルを上に置いた厚いコンクリートスラブを流し込むなどの大規模な改修を経て、2020年3月にパンデミックによりキャンパスの閉鎖を余儀なくされたちょうどその頃、最初の4台の顕微鏡が迅速に納品された。

10年前、科学者たちはライトが「ブロボロジー」と呼ぶものに注目していた。当時、撮影された写真はどれも分子の小さな塊のように見え、何が起こっているのかを正確に見ることはできなかった。 対照的に、今日の画像では、すべての原子がどこに配置されているかを確認できます。遊びの生地からおもちゃをいじるおもちゃに移動するかのようです。

このプロセスでは大量のデータが生成されるため、通常のラップトップではすべての画像を並べ替えて分析するために必要な計算を処理できません。 ここで、モーグリッジの高スループット コンピューティング能力が活躍し、照明と同じくらい研究室にとって不可欠なものとなっています。 「本当に優れた計算がなければ、クライオ EM 顕微鏡は単に高価な文鎮になってしまいます」とライト氏は言います。

同研究所のリサーチ コンピューティング研究者であるブライアン ボッケルマン氏は、基本が同じであるため、大量のデータを必要とするプロジェクトで物理学者と協力した深い経験を活かしています。 彼の計算インフラストラクチャは、クライオ EM センターが研究者が必要とする高解像度の 3D 構造を生成するために興味のある粒子を抽出するのに役立ちます。 「キャンパスの研究者たちが私たちを計算やデータの課題に悩ませて、私たちにもっと良く考えるように促してくれれば、とてもうれしいです」とボッケルマン氏は言う。