Các nhà khoa học đang triển khai cơ sở tinh thể học tia X hiện đại này để nghiên cứu các phân tử sinh học liên quan đến đại dịch COVID-19.
Có một điểm sáng mới tại Nguồn sáng bức xạ Synchrotron Stanford: Beam Line 12-1, một trạm thí nghiệm dùng để xác định cấu trúc của các đại phân tử sinh học với tia X có độ sáng cao. Các nhà nghiên cứu trên khắp đất nước đang sử dụng nó để kiểm tra cấu trúc nguyên tử và chức năng của các thành phần khác nhau của SARS-CoV-2, loại vi rút gây ra COVID-19.
Chùm tia mới tại Phòng thí nghiệm Máy gia tốc Quốc gia SLAC của Bộ Năng lượng kết hợp chùm tia X cực sáng, hội tụ chặt chẽ với hệ thống robot, tự động hóa, truy cập từ xa đầy đủ và xử lý dữ liệu để mở rộng các loại đại phân tử mà nhóm nghiên cứu có thể nghiên cứu và cho phép chúng chạy thử nghiệm nhanh hơn trước và từ các phòng thí nghiệm tại nhà của họ.
Chỉ trong vài tháng đầu hoạt động, các nhà nghiên cứu từ Đại học Stanford, Viện Nghiên cứu Scripps, Đại học California, San Francisco và Viện Công nghệ California đã sử dụng chùm tia mới để nghiên cứu các protein được cho là trung tâm của SARS-CoV-2 sự nhiễm trùng.
Jeney Wierman, một nhà khoa học nhân viên tại SLAC, giải thích cách các công cụ SSRL đóng góp vào nghiên cứu COVID-19. Nhà cung cấp hình ảnh: Olivier Bonin / Phòng thí nghiệm Máy gia tốc Quốc gia SLAC
Trong số các kết quả là những manh mối mới về cách kháng thể ngăn chặn sự lây nhiễm và cách thuốc có thể điều chỉnh hệ thống miễn dịch để nó phản ứng mạnh mẽ khi cần thiết trong khi tránh những hành động quá mức có thể gây hại nhiều hơn lợi.
Việc xây dựng dầm mới được tài trợ bởi Đại học Stanford, Viện Nghiên cứu Scripps, một số cơ sở tư nhân thông qua Đại học Stanford bao gồm Quỹ Gordon và Betty Moore, và Viện Y tế Quốc gia. Giáo sư Ian Wilson của Scripps cho biết trong BL12-1, SSRL có một trong những dòng tia X “vi tiêu điểm” tiên tiến nhất trên thế giới. Wilson cho biết: “Chúng tôi sẽ có thể sử dụng các tinh thể nhỏ hơn, thu thập dữ liệu chất lượng cao hơn, có được tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu tốt hơn và thu thập nhiều tập dữ liệu hơn mỗi giờ”.
Aina Cohen, một nhà khoa học cấp cao của SSRL, người chỉ đạo các hoạt động tại BL12-1, cho biết BL12-1 đã bắt đầu hoạt động phụ vụ người dùng sau khi chiến dịch phòng chống đại dịch COVID-19 bắt đầu , bao gồm một số nghiên cứu từ nhóm của Wilson. Nhưng khi chiến dịch phòng chống càng quyết liệt, các dự án khác sẽ bắt đầu tham gia, cô ấy nói, “và họ cũng sẽ được hưởng lợi từ việc sử dụng các khả năng tiên tiến của BL12-1.”
Jeney Wierman. Credit: Phòng thí nghiệm Máy gia tốc Quốc gia SLAC Phát triển
Một trong những tính năng chính của BL12-1 là kích thước chùm tia rất nhỏ, với tiêu điểm thẳng đứng 5 micron và độ sáng cao so với các dòng tia khác dành cho sinh học phân tử cấu trúc và tinh thể học đại phân tử tia X. Chùm tia nhỏ, cường độ cao sẽ đặc biệt hữu ích khi nghiên cứu các phân tử mà rất khó hoặc tốn thời gian để nuôi cấy các tinh thể lớn – nói chung, dễ dàng nhất để trích xuất thông tin hữu ích khi kích thước chùm tia ngang bằng với kích thước của chính tinh thể.
Christopher Barnes, một nghiên cứu sinh sau tiến sĩ trong nhóm của Pamela Bjorkman tại Caltech, cho biết kích thước chùm tia nhỏ này đã được chứng minh là rất quan trọng đối với nghiên cứu COVID-19. Barnes đang nghiên cứu cấu trúc của kháng thể SARS-CoV-2, bao gồm cách thức và vị trí mà chúng liên kết với virus – và anh ấy đang cố gắng làm điều đó nhanh nhất có thể.
“Do tốc độ của các dự án này, chúng tôi đã không làm cho các tinh thể đồng nhất như chúng tôi thường làm,” Barnes nói, vì vậy họ cần một chùm tia có thể tập trung vào các mảng nhỏ hơn, đồng đều hơn bên trong các tinh thể. Ông nói: “Điều đó chỉ có thể đạt được với dòng tia vi tiêu điểm như BL12-1.
Ngoài ra, BL12-1 có các hệ thống thu thập dữ liệu mới, nhanh hơn, robot chuyển đổi từ xa các mẫu và thiết lập thí nghiệm nhanh hơn trước đây và khả năng thực hiện tinh thể học nối tiếp, trong đó các tinh thể rất nhỏ lần lượt được bắn theo chùm, cung cấp cho các nhà nghiên cứu một bức tranh đầy đủ về các protein bên trong các tinh thể đó mà không cần phải phát triển một cái đơn lẻ, lớn hơn. Hơn nữa, tất cả những điều này có thể được thực hiện từ xa từ các phòng thí nghiệm tại nhà của người dùng, một lợi ích quan trọng trong thời kỳ hạn chế đi lại và giãn cách xã hội này.
Tốc độ và tính linh hoạt trong thời gian của coronavirus
Việc khởi động dầm mới phải đối mặt với một rào cản bất thường: Công việc phát triển nó phần lớn bị dừng lại sau khi các đơn đặt hàng tại chỗ có hiệu lực và phần lớn thử nghiệm cuối cùng chưa hoàn thành. Ngay cả khi đó, có những hạn chế chặt chẽ về số lượng nhân viên có thể đến phòng thí nghiệm để hoàn thành công việc về phần cứng chùm tia và kiểm tra hệ thống, vì vậy các thử nghiệm vận hành đầu tiên – các nghiên cứu chạy một phần để tìm ra bất kỳ lỗi nào trong hệ thống – đều có liên quan đối với coronavirus mới.
Một thí nghiệm ban đầu, do Giáo sư James Fraser của UCSF đứng đầu, đã sử dụng khả năng của BL12-1 để kiểm tra các mẫu không được đông lạnh mà ở nhiệt độ phòng để nghiên cứu các enzym liên quan đến sự nhân lên của virus gần với nhiệt độ cơ thể hơn. Một nghiên cứu khác – một trong những nghiên cứu đầu tiên chạy trên BL12-1 – là một nghiên cứu gần đây được công bố trên tạp chí Science của Wilson và các đồng nghiệp, về cấu trúc phân tử của các kháng thể mà hệ thống miễn dịch sử dụng để ngăn chặn SARS-CoV-2 lây nhiễm vào các tế bào.
Wilson nói: “Thật tuyệt vời khi chúng tôi có thể sử dụng chùm tia này trong khi nó đang được vận hành và thực sự đẩy nhanh tiến độ của chúng tôi trong công việc COVID-19.
Giáo sư Jennifer Cochran của Stanford, nghiên cứu sinh Jack Silberstein và nhà khoa học SSRL Irimpan Mathews đã có một cách tiếp cận khác. Họ đang tìm kiếm các loại thuốc có thể điều chỉnh phản ứng của hệ thống miễn dịch lên hoặc xuống tùy thuộc vào giai đoạn bệnh mà bệnh nhân đang ở giai đoạn nào – lên sớm và giảm xuống nếu có dấu hiệu phản ứng quá mức của hệ miễn dịch. Silberstein cho biết: “Nếu bạn không có cấu trúc của thuốc và các phân tử của hệ thống miễn dịch mà chúng hoạt động là điều cần thiết cho việc tìm kiếm, Silberstein nói:“ Nếu bạn không có cấu trúc, bạn sẽ bị mù ”.
Mathews nói rằng chùm tia cường độ cao, nhỏ của BL12-1 đã giúp họ nhắm mục tiêu các phần cụ thể của tinh thể và thu thập các tập dữ liệu khác nhau từ cùng một tinh thể, tăng tốc công việc của họ. Ông nói: “Tôi rất ngạc nhiên vì các phép đo của chúng tôi diễn ra suôn sẻ như thế nào.
Khởi động khi tạm trú tại chỗ
Cohen cho biết, việc có một lượng người dùng ổn định như thế này, đã giúp giải quyết các khúc mắc còn lại trong giai đoạn vận hành, đặc biệt là vì có quá nhiều công việc phải được thực hiện từ xa.
Cô nói: “Chỉ một hoặc hai thành viên trong nhóm nghiên cứu của chúng tôi được phép vào trang web tại một thời điểm và tất cả các nhóm người dùng được kết nối với hệ thống của chúng tôi để kiểm soát các thử nghiệm của họ. Phần lớn công việc khắc phục sự cố có thể được thực hiện từ xa bởi các lập trình viên và các nhà khoa học hỗ trợ của chúng tôi. Trong các trường hợp khác, chúng tôi sẽ có rất nhiều người ở nhà tư vấn cho người đó tại chỗ, ”và các thành viên nhóm SSRL luân phiên nhau đến và đi, một số ca làm việc vào ban đêm và cuối tuần để làm cho nó hoạt động trong khi vẫn duy trì được sự cân bằng về thể chất. “Điều đó, kết hợp với các hệ thống thử nghiệm hoàn toàn tự động và được điều khiển từ xa của chúng tôi, đã mang lại cho chúng tôi rất nhiều sự linh hoạt.”
Công việc COVID đang tiếp tục, bắt đầu với nhiều dự án hơn từ Scripps. Meng Yuan, một cộng sự sau tiến sĩ trong nhóm của Wilson, cho biết họ đang mở rộng công việc ban đầu để xem xét các cặp kháng thể và protein virus bổ sung. Ông nói: “Chúng tôi có một số lượng lớn các tinh thể cần được sàng lọc và nhu cầu về thời gian chiếu tia khẩn cấp. “Công suất tốt, phản ứng nhanh và tính linh hoạt của Beam Line 12-1, cùng với khả năng truy cập từ xa, đã thực sự giúp ích cho nghiên cứu của chúng tôi.”
Các hoạt động SSRL bất thường được hỗ trợ một phần bởi Văn phòng Khoa học DOE thông qua Phòng thí nghiệm Công nghệ Sinh học Ảo Quốc gia, một tổ hợp các phòng thí nghiệm quốc gia của DOE tập trung vào việc ứng phó với COVID-19, với sự tài trợ của Đạo luật Coronavirus CARES. SSRL là một cơ sở người dùng của Văn phòng Khoa học DOE. Chương trình Sinh học Phân tử Cấu trúc tại SSRL được hỗ trợ bởi Văn phòng Khoa học DOE và Viện Y tế Quốc gia, Viện Khoa học Y khoa Tổng quát Quốc gia.
Nguồn: scitechdaily.com