От «блобологии» к атомной точности: лидерство Висконсина в области крио

Карен Лоури Миллер | 3 января 2023 г.

Микроскопы прошли долгий путь по сравнению с тем, что многие люди помнят из школьного курса биологии. Вместо того, чтобы смотреть через линзу, ученые теперь могут создавать трехмерные изображения, направляя лучи электронов на белковые структуры, которые были заморожены, чтобы сохранять свою форму.

Эта современная технология, называемая криоэлектронной микроскопией или крио-ЭМ, способствует многообещающему сотрудничеству между кафедрой биохимии Университета Висконсина в Мэдисоне и Институтом Моргриджа. Понимая, что они рискуют отстать, партнеры работали над созданием центра, который поддерживает широкий спектр исследований на территории кампуса и теперь является национальным центром обучения и развития исследований.

Крио-ЭМ предназначена для получения более четких и детальных изображений структуры молекул. Ученым необходимо такое разрешение на атомном уровне, чтобы понять, например, как белки нарушаются при заболеваниях и как воздействовать на них при разработке нового лекарства. Образец подвергается мгновенной заморозке в жидком этане, что помогает уменьшить ущерб, который неизбежно возникает каждый раз, когда электроны сталкиваются с целью сохранения изображения.

«Мы являемся пионерами в различных аспектах мышления, разработки сложных алгоритмов и того, как мы используем эти микроскопы для решения сложных биологических вопросов».

Эта технология появилась в 1974 году, но бум в этой области начался около десяти лет назад, когда на рынке появилось более совершенное оборудование. Как и многие университеты страны, UW-Madison осознал, что ему необходимо серьезно отнестись к крио-ЭМ, иначе он рискует серьезно отстать. Исследователи из Моргриджа и факультета биохимии начали приглашать в кампус лучших мировых экспертов, чтобы они выступили с докладами, чтобы они могли узнать, как это работает, и понять, что им нужно делать.

В 2018 году эта область получила развитие в Соединенных Штатах, когда Национальные институты здравоохранения разработали три национальных крио-ЭМ-центра для одночастичного анализа — своего рода автоматический подход, при котором ученый хочет получить одно изображение для просмотра образец.

Университет штата Вашингтон в Мэдисоне решил создать собственный центр, специализирующийся на более сложном подходе, называемом томографией. Подобно тому, как человек проходит МРТ, образцы вращаются и делается 120-140 изображений под каждым углом, чтобы восстановить молекулу.

Моргридж и факультет биохимии также объединили свои усилия в 2018 году, чтобы нанять Элизабет Райт из Университета Эмори, где она с нуля построила аналогичный крио-ЭМ-центр. Все встало на свои места, когда НИЗ выступил с предложением поддержать центры крио-ЭМ томографии – Университет штата Вашингтон в Мэдисоне подал заявку и выиграл.

Глубина партнерства была очевидна с самого начала. Покупка дорогостоящего оборудования через государственный университет может потребовать от Моргриджа преодоления трудностей, которые могут занять до двух лет, поэтому департамент предложил взять на себя другие расходы, если Моргридж сможет обеспечить микроскопы. «После этого мы провели все переговоры, потому что достаточно доверяли друг другу, чтобы знать, что все сработает, и это сработало», — говорит Брэд Шварц, генеральный директор Morgridge.

После капитального ремонта, включавшего заливку толстых бетонных плит, увенчанных антивибрационным столом, чтобы обеспечить неподвижность чувствительного оборудования, первые четыре микроскопа были доставлены быстро, как раз в тот момент, когда пандемия вынудила кампус закрыться в марте 2020 года.

Десять лет назад ученые занимались тем, что Райт называет «блобологией», когда все сделанные снимки выглядели как маленькие капли молекул и невозможно было точно увидеть, что происходит. Сегодняшние изображения, напротив, позволяют увидеть, где расположены все атомы – как при переходе от пластилина к игрушкам-мастеркам.

Этот процесс генерирует так много данных, что обычные ноутбуки не могут справиться с вычислениями, необходимыми для сортировки и анализа всех изображений. Именно здесь в игру вступают высокопроизводительные вычислительные мощности Моргриджа, которые стали столь же важны для лаборатории, как и освещение. «Без действительно хороших вычислений крио-ЭМ-микроскопы представляют собой слишком дорогое пресс-папье», — говорит Райт.

Брайан Бокельман, исследователь компьютерных исследований в институте, опирается на глубокий опыт работы с физиками над проектами, требующими огромных объемов данных, поскольку основы одни и те же. Его вычислительная инфраструктура помогает центру крио-ЭМ извлекать частицы, которые интересуют исследователя, для создания необходимых им трехмерных структур с более высоким разрешением. «Мне бы очень понравилось, если бы исследователи в кампусе завалили нас вычислительными проблемами и проблемами с данными, чтобы они действительно могли заставить нас думать лучше», — говорит Бокельман.