Pomohly odhalit strukturu SARS-CoV-2. V Brně se připravují na vznik nových typů elektronových mikroskopů

V brněnském technologickém centru americké firmy Thermo Fisher Scientific se budou vyrábět zcela nové elektronové mikroskopy. Společnost díky tomu v letošním roce přijme několik desítek nových zaměstnanců do nejrůznějších oddělení. Nejvíce pozic bude nabídnuto ve výrobě a v oddělení výzkumu a vývoje.

Kryo-elektronová mikroskopie je jednou z nejrychleji rozvíjejících se výzkumných metod poslední doby. Vědcům umožňuje zobrazit nanometrové struktury, což výrazně pomáhá především na poli strukturní biologie. "Často se v souvislosti s kryo-elektronovou mikroskopií hovoří o „revolution in resolution“. Tento pojem reflektuje fakt, že jsme dnes schopni dosahovat atomárního rozlišení, a to i při zobrazovaní biologických vzorků, což dříve nebylo možné. Díky tomu jsme například schopni studovat jednotlivé proteiny na povrchu virů, které mají zásadní vliv na to, jakým způsobem se viry váží na lidské buňky. Tyto poznatky pak hrají důležitou roli při vývoji léčiv. Jsme schopni vytvořit takové léky a vakcíny, které potlačí pouze daný protein, což snižuje riziko vedlejších účinků při současném zachování vysoké účinnosti," řekl pro náš magazín Tomáš Mazůrek, projektový manažer.

Jedním z nových mikroskopů, které se budou v moravské metropoli vyrábět, je kryo-elektronový mikroskop Thermo Scientific Tundra. Jedná se o přelomový vědecký přístroj, který umožňuje široké využití metody kryo-elektronové mikroskopie. Současně nabízí vysoký uživatelský komfort a ve srovnání s jinými elektronovými mikroskopy podobného typu je prodáván za velmi atraktivní cenu.

“Určitou nevýhodou kryo-elektronové mikroskopie byla její vysoká finanční náročnost. Často ji navíc mohli provádět pouze vysoce zkušení výzkumníci, jelikož je poměrně složitá. To se teď mění. Náš nový mikroskop využívá celou řadu moderních technologií založených na umělé inteligenci a strojovém učení, díky čemuž je cesta k dosažení požadovaných výsledků jednodušší,” dodal Petr Střelec, generální ředitel Thermo Fisher Brno.

Mikroskopy se učí na bázi neuronových sítí

"Samotný proces učení v praxi probíhá zhruba tak, že se na mikroskopu nafotí velké množství obrázků struktury, kterou chceme rozpoznávat, v různých podmínkách. Tyto obrázky se následně manuálně zaznačí (řádově jsou jich tisíce) a dají se jako vstup neuronové síti. Tato neuronová síť se nechá po určitou dobu běžet a my následně na jiných obrázcích ověřujeme, jak dobře je schopná danou kategorii rozpoznávat. Věříme, že strojové učení, a zejména pak deep learning, má v této oblasti velký potenciál," dodal Mazůrek.

Vzhledem ke složitosti stroje a rychle se vyvíjející technologii, bylo důležité aby použití mikroskopu Thermo Scientific Tundra bylo pro výzkumné pracovníky dostatečně snadné tak, aby se mohli plně soustředit na svou práci. "Hlavní výhodu představuje jednoduchost použití a pokročilá automatizace. Mikroskop byl vyvinut s ohledem na to, aby jeho uživatel nemusel mít expertní znalosti v samotné elektronové optice a fyzice. V uvozovkách mu postačí být expertem ve svém vlastním oboru, náš přístroj odvede velkou část práce sám."

Mikroskopy v boji proti SARS-CoV-2

Kryo-elektronová mikroskopie je technika využívaná především při studiu proteinů. I proto je klíčovým nástrojem při objevování struktury SARS-CoV-2. "Proteiny jsou při použití této techniky prudce zmrazeny (cca -200 ⁰C). Zkoumané vzorky jsou tak ochráněny před znehodnocením svazkem elektronů a zároveň dochází k zastavení všech vnitřních procesů, což umožňuje následné zobrazení struktury bílkoviny. Kryo-elektronová mikroskopie hrála obzvlášť důležitou roli při výzkumu viru SARS-CoV-2. I díky ní máme v současné době několik vakcín,”řekl Petr Střelec.

"Kryo-elektronové mikroskopy Thermo Fisher Scientific byly využívány již od samotného izolování proteinu SARS-CoV-2, ke kterému došlo v únoru loňského roku. Od té doby se vědci na celém snažili o co nejdetailnější zobrazení struktury viru. Do dnešního dne přibylo v „Protein Data Bank“ více než 150 snímků struktury SARS-CoV-2. Je nepochybné, že velký dílem se o to zasloužily i naše přístroje. Z konkrétních laboratoří mohu uvést například tým Dr. Jasona McLellana z University of Texas v Austinu, který se dlouhodobě věnuje studiu koronavirů. Díky těmto zkušenostem byl přizván do týmu, jenž měl za úkol vytvořit první návrhy vakcín. Používá přitom náš kryo-elektronový mikroskop Talos," řekl Tomáš Mazůrek.

Popularita kryo-elektronové mikroskopie roste i v českých výzkumných centrech. Transmisní elektronový mikroskop pomáhá vědcům s výzkumem na pracovišti CEITEC v Brně. Jeho využití je časté hlavně v laboratořích zabývajících se strukturní biologií.

Úspěch kryo-elektronové mikroskopie dokresluje i fakt, že byla v roce 2015 vyhlášena prestižním časopisem Nature experimentální metodou roku. Za její vývoj získali Jacques Dubochet, Joachim Frank a Richard Henderson v roce 2017 Nobelovu cenu za chemii. Je tak jen otázkou času, kdy se díky ní dočkáme dalších převratných objevů.

Zdroj: Thermo Fischer Scientific
Foto: Viktor Forgacs, Unsplash