'블로볼로지'에서 원자 정밀도까지: 크라이오에 대한 위스콘신의 리더십

작성자: Karen Lowry Miller | 2023년 1월 3일

현미경은 많은 사람들이 고등학교 생물학 수업에서 기억하는 것보다 훨씬 발전했습니다. 이제 과학자들은 렌즈를 통해 들여다보는 대신 형태를 유지하기 위해 동결된 단백질 구조에 전자빔을 쏘아 3D 이미지를 만들 수 있습니다.

저온전자현미경(cryo-electron microscopy) 또는 저온전자현미경(cryo-EM)이라고 불리는 이 최첨단 기술은 UW 매디슨 생화학부와 Morgridge 연구소 간의 유망한 협력을 주도합니다. 파트너들은 뒤쳐질 위험이 있음을 인식하고 캠퍼스 내 광범위한 연구를 지원하는 센터를 구축하기 위해 노력했으며 현재는 교육 및 연구 개발을 위한 국가 허브가 되었습니다.

Cryo-EM은 분자 구조에 대한 더 명확하고 상세한 이미지를 얻는 데 중점을 둡니다. 예를 들어, 과학자들은 질병으로 인해 단백질이 어떻게 오작동하는지, 신약을 개발할 때 단백질을 표적으로 삼는 방법 등을 이해하려면 이러한 원자 수준의 해상도가 필요합니다. 표본을 액체 에탄에 급속 냉동시켜 이미지 확보를 위해 전자가 부딪힐 때마다 필연적으로 발생하는 손상을 줄이는 데 도움이 됩니다.

"우리는 계산, 하드코어 알고리즘 개발, 그리고 이러한 현미경을 사용하여 까다로운 생물학적 문제를 살펴보는 방법에 대한 사고의 다양한 측면을 개척하고 있습니다."

이 기술은 1974년부터 시작되었지만 더 발전된 하드웨어가 시장에 출시되면서 약 10년 전에 이 분야가 호황을 누리기 시작했습니다. 미국의 많은 대학과 마찬가지로 UW-Madison은 극저온 전자현미경(cryo-EM)에 대해 진지하게 생각하지 않으면 심각하게 뒤처질 위험이 있다는 것을 깨달았습니다. Morgridge와 생화학 부서의 연구자들은 세계 최고의 전문가들을 캠퍼스에 초대하여 강연을 하기 시작했습니다. 이를 통해 그들이 어떻게 작동하는지 배우고 그들이 무엇을 해야 하는지 이해할 수 있었습니다.

2018년 미국 국립보건원(National Institutes of Health)이 단일 입자 분석을 위한 3개의 국립 저온-EM 센터를 개발하면서 이 분야가 시작되었습니다. 표본.

UW-Madison은 단층 촬영이라는 보다 복잡한 접근 방식에 초점을 맞춘 자체 센터를 설립하기로 결정했습니다. MRI를 받는 사람과 유사하게 표본을 회전시키고 모든 각도에서 120-140개의 이미지를 촬영하여 분자를 재구성합니다.

Morgridge와 생화학 부서는 2018년에 힘을 합쳐 Emory University에서 Elizabeth Wright를 영입했습니다. 그녀는 처음부터 유사한 Cryo-EM 센터를 구축했습니다. NIH가 극저온 전자 단층 촬영 센터를 지원하겠다는 제안을 내놓았을 때 모든 것이 제대로 이루어졌습니다. UW-Madison이 지원하여 승리했습니다.

파트너십의 깊이는 처음부터 분명했습니다. 주립 대학을 통해 고가의 장비를 구입하려면 최대 2년이 걸릴 수 있는 어려움을 겪어야 하므로 Morgridge가 현미경을 확보할 수 있다면 부서에서는 다른 비용도 부담하겠다고 제안했습니다. Morgridge의 CEO인 Brad Schwartz는 "우리는 나중에 모든 협상을 했습니다. 왜냐하면 우리는 그것이 성공할 것이라는 것을 알 만큼 서로를 신뢰했기 때문입니다."라고 Brad Schwartz는 말합니다.

민감한 장비를 그대로 유지하기 위해 진동 방지 테이블 위에 두꺼운 콘크리트 슬라브를 붓는 등 대대적인 개조 작업을 마친 후, 2020년 3월 전염병으로 인해 캠퍼스가 폐쇄되자 처음 4개의 현미경이 신속하게 배송되었습니다.

10년 전, 과학자들은 Wright가 "블러볼로지(blobology)"라고 부르는 것을 조사하고 있었습니다. 당시 촬영된 모든 사진은 작은 분자 덩어리처럼 보였고 무슨 일이 일어나고 있는지 정확히 볼 수 없었습니다. 이와 대조적으로 오늘날의 이미지를 보면 마치 반죽에서 땜장이 장난감으로 옮겨가는 것처럼 모든 원자가 어디에 위치해 있는지 알 수 있습니다.

이 프로세스에서는 일반 노트북이 모든 이미지를 정렬하고 분석하는 데 필요한 계산을 처리할 수 없을 정도로 많은 데이터가 생성됩니다. 이것이 조명만큼 실험실에 필수적인 Morgridge의 높은 처리량 컴퓨팅 능력이 발휘되는 곳입니다. "정말 좋은 계산이 없으면 극저온 EM 현미경은 너무 비싼 문진에 불과합니다."라고 Wright는 말합니다.

연구소의 연구 컴퓨팅 조사관인 Brian Bockelman은 기본이 동일하기 때문에 엄청난 양의 데이터가 필요한 프로젝트에서 물리학자들과 함께 일한 깊은 경험을 활용합니다. 그의 컴퓨터 인프라는 저온 EM 센터에서 연구자가 필요한 고해상도 3D 구조를 생성하는 데 관심이 있는 입자를 추출하는 데 도움을 주고 있습니다. Bockelman은 "캠퍼스의 연구자들이 우리를 계산 및 데이터 문제로 몰아넣어 우리가 더 나은 생각을 하도록 유도할 수 있다면 정말 좋겠습니다."라고 말합니다.