东方时讯网斯克里普斯研究中心的科学家们设计了一种方法，可能能够缩短现代疫苗开发的一大步骤。研究人员表明，他们可以应用高分辨率低温电子显微镜(cryo-EM)数据来快速表征由疫苗或感染引起的抗体，这些抗体在原子水平上与病毒上的所需靶标结合。该方法利用“结构到序列”计算机算法，可以将冷冻电镜确定的单克隆抗体(mAb)结构与产生该结构的DNA序列联系起来。
该研究的资深作者、斯克里普斯研究中心综合结构和计算生物学系教授安德鲁·沃德博士说：“COVID-19大流行凸显了对强大、快速的疫苗和抗病毒技术的需求。”“我们乐观地认为，我们的新方法将通过极大简化抗体发现来帮助满足这一需求。”
Ward及其同事在《科学进展》上发表的一篇题为“从结构到序列：使用冷冻电镜发现抗体”的论文中描述了他们的技术。
作者指出，分析疫苗或感染的免疫反应的关键限速步骤是单克隆抗体的分离和表征。“传统抗体分离方法的限速步骤之一是筛选mAb文库，以识别具有所需表位特异性的克隆……对感染或疫苗接种的免疫反应进行全面分析既费力又昂贵。”该研究的共同第一作者AleksandarAntanasijevic博士指出：“传统上，识别可用于对抗病毒的抗体需要对产生抗体的B细胞进行费力的分类和测试，以找到正确的细胞，这一过程需要数月时间。”
研究人员的这一壮举部分归功于冷冻电镜的最新改进，这项技术使用电子束对远低于普通光学显微镜尺度的目标进行照明和成像。例如，在8月份《自然通讯》杂志上发表的一项研究中，研究人员使用高分辨率冷冻电镜快速、精确地绘制了恒河猴体内的抗体与合成的HIV包膜蛋白结合的位置，该蛋白正在为潜在的HIV疫苗而开发。他们写道：“最近，我们开发了一种方法，使用冷冻电子显微镜(cryoEM)来表征疫苗接种或感染(cryoEMPEM)在免疫血清水平上引起的多克隆抗体(pAb)反应。”
在他们的新研究中，研究人员将这一研究方向更进一步。他们采用了“结构到序列”计算机算法，可以将冷冻电镜确定的抗体结构与产生该结构的DNA序列联系起来。他们写道：“在这项研究中，我们通过引入一种从结构观察中识别功能性抗体序列的方法，扩大了CryoEMPEM数据的适用性。”
为了实现这一目标，研究小组组装了恒河猴所有抗体编码DNA序列的文库，该文库可以通过对动物淋巴结中产生抗体的B细胞的遗传物质进行快速批量测序来获得。将该算法应用于冷冻电镜数据和抗体序列库，科学家们可以将冷冻电镜图像中感兴趣的抗体与序列数据库中定义的独特抗体可靠地匹配。
研究人员表明，他们可以通过使用序列数据复制单克隆抗体并使用冷冻电镜验证抗体以与最初成像的抗体相同的方式结合来确认结果的准确性。“..我们开发了一种直接从CryoEMPEM图谱确定mAb序列的方法，”该团队表示。“这种混合方法由电子显微镜(EM)和下一代测序(NGS)组成，能够对多克隆Fab(Fv)的可变区(包括互补决定区(CDR))进行序列分配……这种方法提供了传统方法的替代方案基于单B细胞分选、杂交瘤和噬菌体展示技术的mAb发现方法。”
“通过这种新方法，我们可以在大约十天内从感染或免疫患者的血液样本采集到识别所有引发的感兴趣的抗体，”科学家兼研究共同第一作者CharlesBowman博士说道。
作者还指出，他们报告的概念验证研究使用了对特定抗原具有特异性的淋巴结B细胞。然而，他们预计他们的方法将适用于从其他来源(例如外周血、脾脏、骨髓或浆细胞)获得的B细胞，并且无需针对抗原结合进行预分选。“通过使用冷冻电镜直接对血清抗体进行成像，我们获得了丰度、亲和力和克隆性的代表，”他们评论道。
科学家们现在正在改进他们的技术，以优化其速度和可用性，并将其应用于多个领域：快速评估人类抗体对实验性艾滋病毒疫苗的反应;开发针对自身免疫性疾病的抗体阻断疗法;并发现可以治疗性地击中细胞上其他蛋白质靶点的抗体。
他们预计冷冻电镜技术和结构到序列算法的未来改进将允许仅使用高分辨率结构图像更快速地识别抗体，而无需对B细胞进行DNA测序。
“这种从结构到序列的方法在免疫学及其他领域具有很大的潜力，”Antanasijevic说。“我们设想有一天能够使用它来研究蛋白质与蛋白质之间的相互作用，例如发现给定蛋白质的结合伙伴。”正如作者总结的那样，“……我们的方法将为单克隆抗体的发现以及分析抗体对感染和疫苗接种的反应打开新的大门。持续的COVID-19大流行凸显了对这种强大而快速的技术的需求。”