Университет Квинсленда, CMM: Центр микроскопии и микроанализа
Криоэлектронная микроскопия способствует разработке вакцин.
Университет Квинсленда, входящий в группу восьми федеральных университетов Австралии, известен как научно-исследовательский университет. Он добился успехов в области биотехнологий и нанотехнологий. Центр микроскопии и микроанализа (CMM) является научно-исследовательским центром, поддерживающим такие передовые исследования.
В июле 2025 года «технология молекулярного зажима» (*1), разработанная Университетом Квинсленда, стала сенсационной темой. Лицензия на эту технологию была предоставлена британской компании Vicebio, не котирующейся на бирже биотехнологической компании со штаб-квартирой в Лондоне, и было объявлено о приобретении Vicebio компанией Sanofi SA, ведущей французской фармацевтической компанией. Общая сумма первоначального платежа достигла 1.15 миллиарда долларов США. Эта сделка стала крупнейшей сделкой, в которой компания занималась коммерциализацией интеллектуальной собственности австралийского университета.
Ссылка: Многомиллиардная сделка выводит технологии вакцины Университета Квинсленда на мировой рынок.
Технология Molecular Clamp позволяет нам максимально быстро реагировать на изменения в производстве вакцин и обеспечит подготовку к новым пандемиям и другим вирусным инфекциям в будущем. Какова была роль CMM и криоэлектронного микроскопа (криоЭМ) в этом исследовании? Мы взяли интервью у профессора Роджера Вепфа, руководителя CMM, о роли центра и его планах на будущее.
*1 Коронавирусы и вирусы гриппа заражают хозяина посредством шиповидных белков на своей поверхности. Эти шиповидные белки нестабильны и претерпевают структурные изменения (постфузионную форму) при активации такими событиями, как связывание с рецептором. Для борьбы с вирусной инфекцией более эффективны вакцины, основанные на префузионной конформации, а не на постфузионной.
Технология молекулярных зажимов — это метод, который стабилизирует спайковый белок в его предфузионном состоянии. Например, спайковый белок SARS-CoV-2, вируса, вызывающего COVID-19, может оставаться стабильным благодаря образованию тримера, в котором три спайковых белка удерживаются вместе с помощью разработанного молекулярного зажима (полипептида).
Профессор Роджер Вепф, руководитель CMM.
В: Какой вклад внесли CMM и криоэлектронная микроскопия в процесс исследования технологии молекулярных зажимов?
A: Во-первых, я хотел бы уточнить, что CMM не руководил исследованиями Molecular Clamp.
Мы оказали поддержку команде в составе почетного профессора Пола Янга, профессора Даниэля Уоттерсона и профессора Кейта Чаппелла.
Итак, как мы им помогли? Белок-шип, на котором они сосредоточили внимание, изменил свою поверхностную структуру, и криоэлектронная микроскопия отдельных частиц помогла им наблюдать различные структуры белков-шипов.
Как следует из названия, этот «зажим» предназначен для фиксации трех шиповидных белков и превращения их в стабильный тример, как это обычно происходит на поверхности вирусов SARS и других вирусов. Благодаря такой форме тримера, твердая структура шиповидных белков стабилизируется. Это своего рода фиксирующий зажим для деталей. Когда этот тример попадает в организм в качестве иммунного белка, организм вызывает иммунную реакцию и вырабатывает антитела, как если бы он был инфицирован вирусом.
В 2019/20 году мы приобрели криогенный электронный микроскоп JEOL "CRYO ARM™ 300". Примерно в то же время мы приобрели и "CRYO ARM™ 200". Напоминает ли вам 2020 год? Да, произошла вспышка коронавирусной болезни COVID-19, как раз вовремя для группы, занимающейся разработкой вакцины, после установки новых криогенных электронных микроскопов, которые позволили им приступить к определению структуры. Таким образом, эти криогенные электронные микроскопы быстро стали мощными инструментами для команды, разрабатывающей технологию Clamp. Они поддерживали самые ранние исследования по разработке вакцины против SARS-CoV-2, а впоследствии и разработку современной технологии Clamp.
Крио-манипулятор CRYO ARM™ 200
Крио-манипулятор CRYO ARM™ 300
В: Не могли бы вы еще раз рассказать о КИМ (координатно-измерительной машине). Какую роль она играет и на каком предприятии?
A: CMM — это масштабная исследовательская платформа для совместной работы. Мы называем её CRP (платформа для совместных исследований), ориентированная на передовые возможности электронной, масс-спектрометрической и рентгеновской характеризации и визуализации искусственных и природных материалов. По сути, она лежит в основе всех экспериментальных исследовательских областей университета, от инженерии, материаловедения, биологических наук, биологии, квантовой физики и устройств до сложных полимерных материалов. Мы поддерживаем от 700 до 800 проектов в год с участием около 750 пользователей.
В отличие от стандартных оптических микроскопов, для работы с большинством приборов требуется высокий уровень квалификации. Мы обеспечиваем пользователям доступ к таким приборам и возможность работать с ними, привлекая высококвалифицированных специалистов и команды. Мы поддерживаем их, чтобы они могли преуспевать и проводить свои исследования. Демократизация доступа к этим передовым технологиям – вот задача Центра микроскопической визуализации (CMM).
В: Что вы, как руководитель центра, держите в уме?
A: Я всегда стремлюсь сделать различные инструменты доступными для всех. Здесь решающее значение приобретает опыт сотрудников, и члены команды CMM работают вместе, чтобы крио-ТЭМ или любые другие инструменты можно было использовать максимально легко.
Нам также необходимо думать о будущем, планируя, что исследователи хотели бы использовать, и разрабатывая план замены и модернизации. Мы хотели бы обновлять приборы каждые несколько лет до последних моделей, но это не всегда возможно, поэтому грамотные обновления помогают нам продлить срок их службы или получить уникальные новые возможности. Для этого нам постоянно необходимо подавать заявки на финансирование исследований и разрабатывать отличные идеи для обновления платформы. Для меня это то, что я называю поиском технологий и местными исследованиями и разработками, самая захватывающая часть моей работы.
В настоящее время мы изучаем возможность предоставления новых возможностей, недоступных в существующем микроскопическом центре. Конкретнее, рассматривается рабочий процесс, который следует назвать «криоинтегрированным». Это идея интеграции различных методов характеризации в непрерывную последовательность рабочих процессов, включая не только крио-СЭМ (сканирующий электронный микроскоп), крио-ТЭМ (просвечивающий электронный микроскоп), но и оптическую микроскопию, масс-спектрометрию и т.д., с повышением степени автоматизации. Я считаю, что одна из моих главных задач в CMM — воплотить эту идею в жизнь.
Обычно перенос образца с одного прибора на другой представляет собой сложную задачу. Наша цель — всестороннее изучение образца. Это означает исследование образца в разных масштабах и его понимание с использованием нескольких наборов химической информации, а также различных видов спектроскопических данных.
Конкретнее, нам необходимо разработать систему переноса при низких температурах, а также систему, способную идентифицировать одну и ту же область образца в разных масштабах, параллельно с исследовательскими проектами. Мы стремимся создать, так сказать, конвейер обработки изображений, охватывающий различные методы и приборы характеризации.
Это не просто потому, что нам так хочется. На самом деле, мы сможем быстрее предоставлять уникальные результаты измерений исследователям различных проектов, сохраняя при этом образец в первозданном виде (с меньшим количеством артефактов).
AIBN: Австралийский институт биоинженерии и нанотехнологий
На территории предприятия сосредоточены передовые технологии, такие как координатно-измерительная машина (CMM), и превосходный научно-исследовательский центр.
В: Пожалуйста, расскажите, почему вы решили использовать криоэлектронный микроскоп компании Jeol Ltd.
A: Раньше мы использовали криоэлектронный микроскоп другого производителя. Однако нам приходилось выполнять каждый этап вручную, например, ввод и обработку образцов. В этот раз при выборе производителя рассматривались два варианта. Мы посетили лаборатории каждого производителя и протестировали их приборы на собственных образцах.
В ходе работы над докторской диссертацией я использовал СЭМ и СТЭМ с электронно-лучевой пушкой с холодной полевой эмиссией. Поэтому я знал, что этот тип электронной пушки может обеспечить более высокое разрешение, когерентность и превосходную передачу фазового контраста (*2). Меня очень интересовали принципы работы СТЭМ с холодной полевой эмиссией от JEOL. Поэтому мы тестировали приборы в нескольких местах, включая Токио, а также изучали приборы конкурентов JEOL. В результате мы смогли подтвердить, что приборы JEOL обеспечивают гораздо лучшее отношение сигнал/шум и высокое разрешение получаемых изображений.
*2 Функция передачи фазового контраста:
Изменение фазы электронной волны обычно невозможно наблюдать (обнаружить) на изображении, полученном с помощью просвечивающего электронного микроскопа (ПЭМ). Преобразовав изменение фазы в изменение амплитуды, можно наблюдать изменение фазы на изображении ПЭМ. Функция, выражающая, в какой степени амплитуды, преобразованные из изменений фазы дифрагированных волн, вносят вклад (передаются) в изображение ПЭМ, называется функцией передачи фазового контраста.
Кроме того, в колонке продукции JEOL имеется омега-фильтр (*3). При работе с микроскопическими образцами иногда может потребоваться так называемая фильтрация с нулевыми потерями (*4). Этот фильтр интегрирован в электронно-оптическую систему. Таким образом, фильтрацию с нулевыми потерями можно легко выполнить по мере необходимости, а также получить изображение с энергетической фильтрацией без необходимости отдельных вычислений или операций путем установки дополнительного энергетического фильтра стороннего производителя.
*3 Фильтр Омега: Энергетический фильтр внутриколонного типа, устанавливаемый между промежуточной и проекционной линзами в просвечивающем электронном микроскопе. Он в основном используется для получения отфильтрованных изображений (изображений с нулевыми потерями), CBED-паттернов с нулевыми потерями и изображений с потерями энергии.
*4 Фильтрация с нулевыми потерями: Отбор или удаление электронов, потерявших определенное количество энергии при прохождении через образец. Это используется для улучшения контраста изображения и обеспечения возможности элементного анализа.
Приборы JEOL могут вмещать до 12 образцов в криопорт, и за один раз можно заменить от 1 до 4 образцов. С другой стороны, продукция конкурентов требовала выгрузки всего картриджа, всех 12 образцов. По этим и некоторым другим причинам мы выбрали продукцию JEOL.
В: Я предполагаю, что вы столкнулись с серьезными проблемами во время пандемии COVID-10, такими как запреты на поездки и закрытие транспортных сетей. Какую поддержку вы получили от компании JEOL?
A: Внедрение криогенного ТЭМ прошло гладко. Незадолго до начала пандемии COVID-19 оборудование было доставлено, и началась его установка. Это было к счастью. Однако, это не значит, что проблем не было. Мы хорошо понимаем, что эти приборы всегда могут вызывать множество проблем при настройке и так далее. Тем не менее, мы смогли посвятить себя оригинальным исследованиям. И затем мы смогли внести свой вклад в разработку молекулярного зажима. Откровенно говоря, поддержка со стороны JEOL была чрезвычайно полезной и помогла нам начать работу.
В: Как, по вашему мнению, будет развиваться криоэлектронная микроскопия в ближайшие 5-10 лет?
A: Один из важных моментов — это размер биомолекул, с которыми можно работать. Сочетание криоэлектронной микроскопии и метода анализа отдельных частиц стало новым стандартом для определения структуры. Более того, мишенью станут молекулы массой 40 000 Да (*5) или меньше. Думаю, это лишь вопрос времени.
За счёт повышения стабильности колонки, в которой находится электронная пушка, увеличения разрешения камеры, улучшения скорости обработки и других параметров, вероятно, удастся достичь плотности 20 000 Да. В сочетании с высокоточным гониометром это также принесёт пользу криоэлектронной томографии и микроэлектронной дифракции.
*5 Да (Дальтон): Единица массы, при которой одна двенадцатая (1/12) массы атома углерода-12 принимается за одну единицу.
Другой важный аспект — разработка криогенного электронного микроскопа следующего поколения на основе электронного пучка с холодной полевой эмиссией. Это модель с относительно низким ускоряющим напряжением от 80 до 120 кВ, высокоскоростным детектором и автоматическим загрузчиком. Именно такой тип микроскопа Ричард Хендерсон (лауреат Нобелевской премии по химии, разработавший криогенный электронный микроскоп) называет «демократизированным» криогенным электронным микроскопом. Это недорогой криогенный электронный микроскоп, который может использоваться более широким кругом людей, и именно такой тип он давно хотел разработать.
*Ссылка: Нобелевская премия по химии 2017 г.
В любом случае, для дальнейшего развития такого сложного, высокотехнологичного оборудования, я думаю, компании неизбежно необходимо активно разрабатывать совместно с исследователями по всему миру превосходные продукты следующего поколения, что, как я знаю, JEOL делает отлично.
профиля
Профессор Роджер Альберт Вепф
Профессор, директор Центра микроскопии и микроанализа (ЦММИ) Университета Квинсленда.
Родился в Страсбурге, Франция.
Роджер получил степень в области клеточной биологии и структурных исследований в Швейцарском федеральном технологическом институте (ETH) в 1992 году. После завершения постдокторских исследований он присоединился к программе физического приборостроения в группе Макса Хайдера в Европейской лаборатории молекулярной биологии в Гейдельберге, где занимался разработкой технологий криоэлектронной микроскопии. Впоследствии он возглавлял отдел аналитической микроскопии в частном секторе в Гамбурге.
В 2006 году он стал директором центра электронной микроскопии в ETH Zurich. В 2014 году он был назначен техническим директором Центра оптической и электронной микроскопии (ScopeM). С 2012 по 2016 год он занимал пост президента Европейского общества микроскопии.
Это интервью было проведено в ноябре 2025 года. Профессор Роджер Вепф скончался 4 июня 2026 года. Мы глубоко благодарны ему за доброту, щедрую поддержку и готовность поделиться своими мыслями в этом интервью. Мы выражаем искренние соболезнования его семье, друзьям и коллегам и вспоминаем его с глубоким уважением и благодарностью. Пусть он покоится с миром.