Как ученые по всей стране используют АПС для борьбы с COVID-19

How scientists around the country are using the APS to fight COVID-190

аргоннская национальная лаборатория

Ученые со всей страны использовали ресурсы усовершенствованного источника фотонов, чтобы узнать больше о структуре вируса, вызывающего COVID-19.

Newswise — пандемия COVID-19 вызвала глобальную чрезвычайную ситуацию в области здравоохранения, и реакция научного сообщества была столь же глобальной. Ученые со всех уголков мира неустанно работали над тем, чтобы узнать больше о вирусе SARS-CoV-2, вызывающем это заболевание, чтобы бороться с ним более эффективно.

Один из лучших объектов в мире для исследования структуры вируса SARS-CoV-2 находится в Соединенных Штатах: Advanced Photon Source (APS), офис научного пользователя Министерства энергетики США (DOE), расположенный в Аргоннской национальной лаборатории Doe. АПС, один из самых производительных источников света в мире, генерирует мощные рентгеновские лучи, которые ученые используют для точного определения структуры белков, составляющих вирус, закладывая основу для медикаментозного лечения и вакцин.

С начала вспышки более 8000 часов лучевого времени было использовано для изучения SARS-CoV-2, и более 70 групп исследователей со всей страны использовали APS для дальнейшей работы по прекращению распространения вируса. Кроме того, APS настолько важна для усилий по борьбе с пандемией, что в этом году она работала на 10 процентов больше часов, чем обычно, причем дополнительное время поддерживалось управлением науки Министерства здравоохранения через национальную виртуальную биотехнологическую лабораторию при финансировании, предусмотренном Законом о заботе о коронавирусе.

— Национальные центры, где любой может получить информацию, — это путь вперед. Демократический доступ — это все”. — Эрика Ольманн Сапфир, Институт иммунологии Ла-Хойи

Большинство из этих исследователей использовали APS удаленно, через современную систему, которая позволяет ученым безопасно контролировать линии луча APS из своих собственных учреждений или даже из своих домов.

Шестнадцать линий луча были посвящены определению структуры белков вируса в течение последних шести месяцев, и по состоянию на ноябрь 2020 года 95 структур, взятых из данных APS, были представлены в Международный банк данных о белках для использования мировым научным сообществом.

Аргоннские исследователи и члены Центра структурной геномики инфекционных заболеваний (CSGID), который возглавляют Карла Сатчелл из Северо-Западного университета и Анджей Иоахимяк из Аргоннского и Чикагского университетов, определили более половины из них. Остальные — это результаты дистанционного исследования, проведенного учеными со всей страны. Результаты этой работы появляются в научных журналах, и по состоянию на ноябрь 2020 года было опубликовано 15 статей.

“Это удаленное исследование возможно, потому что мы так много вложили за последние 15-20 лет в автоматизацию системы”, — сказал Йоахимяк. “Это важная работа, и мы в состоянии помочь ей.”

Вот лишь некоторые из исследователей, использующих APS удаленно для изучения вируса SARS-CoV-2.

Фан Ли, Миннесотский университет

Как и многие пользователи APS, исследующие COVID-19 в APS, Фан Ли не новичок в этом типе работы. Его группа в Университете Миннесоты изучала оригинальный вирус атипичной пневмонии, SARS-CoV, более десяти лет и была первой, кто определил структурную основу распознавания рецепторов этого вируса, начальную стадию инфекционного цикла. Многие из принципов, изученных в ходе этого исследования, также применимы к SARS-CoV-2, сказал Ли, хотя этот новый вирус имеет уникальные особенности.

Группа ли использовала Beamlines Northeastern Collaborative Access Team (NE-CAT) и была первой, кто опубликовал результаты удаленного анализа SARS-CoV-2 в APS. Их работа, опубликованная в журнале Nature в марте, была первой в мире, которая использовала рентгеновскую кристаллографию для определения структуры белка SARS-CoV-2, который связывается со своим рецептором-по сути, как вирус соединяется с клетками человека. Если ученые смогут полностью понять, каким образом вирус прикрепляется к здоровым клеткам, они смогут разработать блокирующий агент, чтобы предотвратить распространение вируса.

“Блокирование взаимодействия вируса с рецептором является одной из наиболее важных стратегий лечения и/или вакцинации”,-сказал Ли.

Надеясь быстро получить результат, команда Университета Миннесоты отправила несколько небольших кристаллов в APS, вместо того чтобы ждать, пока вырастут более крупные. Но Ли отметил, что луч был настолько хорош, а сбор данных настолько упорядочен, что они смогли выполнить необходимый анализ из этих небольших образцов.

“Только с большой поддержкой APS и отличными средствами мы смогли закончить структурное исследование в рекордной скорости”, — сказал Ли. “Структурная биология играет важную роль в борьбе с COVID-19, и APS оказывает существенную поддержку структурным биологам и играет важную роль в борьбе с пандемией COVID-19.”

С момента публикации этой первой статьи группа ли продолжала изучать инфекционность SARS-CoV-2 с использованием инструментов структурной биологии, включая изучение того, как вирус уклоняется от естественного иммунного надзора хозяина. Ли и его коллеги разрабатывают вакцины и лекарства для борьбы с вирусом, и, по словам ли, они делают хороший прогресс.

Ян Уилсон, Научно-Исследовательский Институт Скриппса

Ян Уилсон также не новичок, когда речь заходит об инфекционных заболеваниях. Профессор структурной биологии в Научно — исследовательском институте Скриппса в Калифорнии, Уилсон долгое время изучал реакцию антител на такие вирусы, как ВИЧ, грипп и гепатит С, а также малярийного паразита P. falciparum — лаборатория, которую он возглавляет в Скриппсе, была создана для продолжения этой работы, и именно этот опыт он и его коллеги используют, когда речь заходит об анализе реакции антител на SARS-CoV-2.

Антитела-это естественный ответ организма на вирусные инфекции, способ иммунной системы бороться с болезнью. Уилсон и его группа начали свою работу с антитела, полученного от выживших после эпидемии торс-Ков в начале 2000-х годов, чтобы проверить, может ли оно быть столь же эффективным в борьбе с этим новым коронавирусом. Результаты их работы, выполненной в APS с использованием Национального института общих медицинских наук и Национального института структурной биологии рака (GM/CA-XSD), опубликованы в журнале Science в апреле. Их анализ был первым в мире наблюдением связывания SARS-CoV-2 с человеческим антителом в атомном масштабе.

То, что они обнаружили, было почти идентичным местом на обоих коронавирусах, с которым связывается антитело против атипичной пневмонии, потенциально важным местом уязвимости для дальнейших исследований. Само антитело, по словам Уилсона, связывается с новым коронавирусом примерно в 100 раз менее плотно, чем с оригинальным вирусом атипичной пневмонии, и не нейтрализует его.

Следующим шагом, сказал Уилсон, было изучение антител от пациентов с вирусом SARS-CoV-2, когда они начали появляться, и его команда сейчас работает над многими из них.

“Хорошая новость заключается в том, что выздоравливающие пациенты могут хорошо нейтрализовать антитела”, — сказал Уилсон. — Важно выяснить, где связываются антитела. Мы работаем над тем, чтобы выяснить, каковы эпитопы наиболее мощных антител в домене связывания рецепторов SARS CoV-2 и можно ли найти перекрестно-реактивные сайты уязвимости в других вирусах, подобных SARS.”

Эта информация, по словам Уилсона, полезна для оценки иммунного ответа на пандемию COVID-19, а также для многих кандидатов вакцин, которые сейчас находятся в разработке. В настоящее время многие антитела доступны для исследований и использования в качестве потенциальных терапевтических средств.

“Удивительно, как мир объединился, чтобы работать над этой пандемией”, — сказал Уилсон. — Структурная биология располагает сложными инструментами, которые разрабатывались в течение многих лет. Все методы, разработанные для предыдущих инфекционных заболеваний, мгновенно переносятся на SARS CoV-2.

“Поэтому мы можем очень быстро продвигаться вперед, и мы очень ценим, что объекты источников света, такие как APS, открыты и доступны для работы COVID-19 на протяжении всей пандемии до сих пор”, — сказал он.

Эрика Ольманн Сапфир, Институт иммунологии Ла-Хойи

Как и ее коллеги, Эрика Олманн сапфир имеет долгую историю исследований инфекционных вирусов. Профессор Института иммунологии Ла-Хойи, она и ее команда широко изучали вирус Эбола, в частности, используя человеческие антитела, чтобы указать на лечение и вакцины. Но в то время как она проводит собственные исследования антител к SARS-CoV-2 с использованием Национального института общих медицинских наук и Национального института структурной биологии рака (GM/CA-XSD) в APS, ее внимание сосредоточено на более широком взгляде на пандемию и на том, как с ней бороться.

С 2014 года Ollmann Saphire является путеводной звездой для иммунотерапевтического консорциума по вирусной геморрагической лихорадке, который ставит 43 ранее конкурировавшие лаборатории и учреждения на одну страницу для разработки методов лечения на основе антител против самых смертоносных вирусов в мире. Благодаря своей работе в области структурной биологии она поняла, что исследовательские группы по всему миру работают изолированно, используя ограниченное количество образцов и небольшие объемы информации. Модель консорциума, говорит она, исправляет это, делая информацию о большем массиве анонимизированных образцов доступной для целого, поэтому образцы и методы можно сравнивать и противопоставлять.

Недавно она запустила ответвление-консорциум иммунотерапии коронавируса (CoVIC), чтобы бороться с SARS-CoV-2 специально с использованием той же модели.

“У нас все идет параллельно,” сказала она. “Мы можем сравнить методы бок о бок и посмотреть, какой из них является наиболее прогностическим для клинического успеха человека. Мы ищем комбинации антител, которые являются прочными и стабильными, чтобы спасти жизни во всем мире.”

Конкуренция, сказал Олманн Сапфир, хороша тем, что она способствует инновациям. В настоящее время CoVIC располагает библиотекой специфических и кросс — реактивных антител, которые помогут справиться со следующей вспышкой коронавируса, сказала она. Различные стратегии, которые каждый из членов CoVIC использует в своих исследованиях, приводят к множеству сильных результатов, которые можно сравнить и объединить.

Она похвалила национальные лаборатории, такие как Аргонн, за то, что они сделали такие объекты, как APS, доступными для использования учеными, и сказала, что удаленный доступ еще более привлекателен, поскольку он не требует времени на поездки и ресурсов.

“Национальные объекты, где любой может получить информацию, это путь вперед”, — сказала она. — Демократический доступ-это все.”

Усовершенствованный источник фотонов-это пользовательское средство DOE Office of Science Basic Energy Sciences, эксплуатируемое для DOE Office of Science Аргоннской национальной лабораторией. Дополнительное финансирование лучевых линий, используемых для исследований COVID-19 в APS, обеспечивается Национальными институтами здравоохранения (NIH) и управлением научных биологических и экологических исследований Министерства здравоохранения США.

О дополнительных источника фотонов
Усовершенствованный источник фотонов (APS) Управления науки Министерства энергетики США в Аргоннской национальной лаборатории является одним из самых производительных в мире рентгеновских источников света. APS предоставляет рентгеновские лучи высокой яркости разнообразному сообществу исследователей в области материаловедения, химии, физики конденсированных сред, наук о жизни и окружающей среде, а также прикладных исследований. Эти рентгеновские лучи идеально подходят для исследования материалов и биологических структур; распределения элементов; химических, магнитных, электронных состояний; и широкого спектра технологически важных инженерных систем от батарей до распылителей топливных форсунок, все из которых являются основой экономического, технологического и физического благополучия нашей страны. Каждый год более 5000 исследователей используют APS для подготовки более 2000 публикаций с подробным описанием впечатляющих открытий и решения более важных биологических белковых структур, чем пользователи любого другого исследовательского центра рентгеновского источника света. Ученые и инженеры APS внедряют инновационные технологии, которые лежат в основе передовых операций с ускорителями и источниками света. Это включает в себя вставные устройства, которые производят рентгеновские лучи экстремальной яркости, ценимые исследователями, линзы, которые фокусируют рентгеновские лучи до нескольких нанометров, приборы, которые максимизируют способ взаимодействия рентгеновских лучей с исследуемыми образцами, и программное обеспечение, которое собирает и управляет огромным количеством данных, полученных в результате исследований discovery в APS.

В этом исследовании использовались ресурсы усовершенствованного источника фотонов, пользовательского объекта управления науки Министерства здравоохранения США, эксплуатируемого для управления науки Министерства здравоохранения Аргоннской национальной лабораторией по контракту № 1. DE-AC02-06CH11357.

Аргоннская национальная лаборатория ищет решения насущных национальных проблем в области науки и техники. Первая в стране национальная лаборатория Аргонна проводит передовые фундаментальные и прикладные научные исследования практически по всем научным дисциплинам. Аргоннские исследователи тесно сотрудничают с исследователями из сотен компаний, университетов и федеральных, государственных и муниципальных учреждений, чтобы помочь им решить свои конкретные проблемы, продвинуть научное лидерство Америки и подготовить нацию к лучшему будущему. С сотрудниками из более чем 60 стран Аргонна управляется компанией UChicago Argonne, LLC для управления науки Министерства энергетики США.

Управление науки Министерства энергетики США является единственным крупнейшим сторонником фундаментальных исследований в области физических наук в Соединенных Штатах и работает над решением некоторых из самых насущных проблем нашего времени. Для получения дополнительной информации посетите сайт https://energy.gov/science-да.

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Коронавирус-2