Universiti Queensland, CMM: Pusat Mikroskopi dan Mikroanalisis
Cryo EM menyokong pembangunan Vaksin
Universiti Queensland, salah satu daripada Kumpulan Lapan Universiti Persekutuan di Australia, dikenali sebagai universiti berorientasikan penyelidikan. Ia mempunyai pencapaian dalam bidang bioteknologi dan nanoteknologi. Pusat Mikroskopi dan Mikroanalisis (CMM) ialah pusat infrastruktur penyelidikan yang menyokong penyelidikan canggih sedemikian.
Pada Julai 2025, "Teknologi Pengapit Molekul" (*1) yang dibangunkan oleh Universiti Queensland menjadi topik sensasi. Lesen teknologi ini telah diberikan kepada Vicebio di UK, sebuah syarikat bio tidak tersenarai yang beribu pejabat di London, dan Vicebio diumumkan akan diambil alih oleh Sanofi SA, sebuah syarikat farmaseutikal terkemuka Perancis. Jumlah keseluruhan pembayaran awal mencecah 1.15 bilion dolar AS. Perjanjian itu merupakan yang terbesar yang melibatkan sebuah syarikat yang mengkomersialkan harta intelek daripada sebuah universiti Australia.
rujukan: Perjanjian berbilion dolar membawa teknologi vaksin UQ ke dunia
Teknologi Pengapit Molekul membolehkan kami bertindak balas secepat mungkin dalam pengeluaran vaksin dan akan menyediakan persediaan terhadap pandemik baharu dan jangkitan virus lain pada masa hadapan. Apakah peranan CMM dan mikroskop elektron krio (krioEM) dalam kajian ini? Kami telah menemu bual Prof. Roger Wepf, ketua CMM, tentang peranan pusat tersebut dan rancangan masa depannya.
*1 Koronavirus dan virus influenza menjangkiti perumah mereka melalui protein lonjakan pada permukaannya. Protein lonjakan ini tidak stabil dan mengalami perubahan struktur (bentuk pasca-gabungan) apabila dicetuskan oleh peristiwa seperti pengikatan pada reseptor. Untuk memerangi jangkitan virus, vaksin berdasarkan konformasi pra-gabungan, dan bukannya konformasi pasca-gabungan, adalah lebih berkesan.
Teknologi pengapit molekul ialah kaedah yang menstabilkan protein lonjakan dalam keadaan prafusi. Contohnya, protein lonjakan SARS-CoV-2, virus yang menyebabkan COVID-19, boleh kekal stabil dengan membentuk trimer, di mana tiga protein lonjakan disatukan oleh pengapit molekul yang dibangunkan (polipeptida).
Prof. Roger Wepf, ketua CMM
S: Apakah sumbangan yang dibuat oleh CMM dan cryo-EM semasa proses penyelidikan teknologi Pengapit Molekul?
A: Pertama sekali, saya ingin menjelaskan bahawa CMM tidak menerajui penyelidikan Pengapit Molekul.
Kami menyokong pasukan Profesor Emeritus Paul Young, Prof. Daniel Watterson dan Prof. Keith Chappell.
rujukan: Teknologi vaksin UQ mencapai perjanjian berbilion dolar
Kemudian, bagaimana kita menyokong mereka? Protein lonjakan yang mereka fokuskan telah mengubah struktur permukaannya, dan pengimejan zarah tunggal CryoTEM membantu mereka memerhatikan struktur protein lonjakan yang berbeza.
Pengapit seperti namanya adalah untuk mengapit tiga protein spike dan menjadikannya trimer yang stabil seperti yang biasanya terdapat pada SARS dan permukaan virus lain. Dengan mengambil bentuk trimer ini, struktur pepejal protein spike dapat distabilkan. Ini sama seperti jig pengikat (pengapit) bahagian-bahagian. Apabila trimer ini dimasukkan ke dalam badan sebagai protein imun, badan akan mendorong reaksi imun dan menghasilkan antibodi seolah-olah ia akan dijangkiti virus.
Kami membeli TEM krio JEOL, "CRYO ARM™ 300" pada 2019/20. Pada masa yang sama, kami juga membeli "CRYO ARM™ 200". Adakah Tahun 2020 menandakan permulaan? Ya, wabak penyakit koronavirus COVID-19 telah berlaku, tepat pada masanya untuk kumpulan vaksin selepas pemasangan TEM krio baharu, mereka boleh mula bekerja dengan penentuan struktur. Oleh itu, TEM krio ini dengan cepat menjadi alat yang ampuh untuk pasukan yang membangunkan teknologi Pengapit. Ia menyokong penyelidikan pembangunan vaksin SARS-CoV-2 terawal dan seterusnya pembangunan teknologi pengapit hari ini.
CRYO ARM™ 200
CRYO ARM™ 300
S: Bolehkah anda ceritakan semula tentang CMM. Apakah peranan yang dimainkannya dan di kemudahan apa?
A: CMM ialah platform kolaboratif penyelidikan berskala besar yang ketara. Kami menggelarnya CRP (platform penyelidikan kolaboratif) yang memberi tumpuan kepada keupayaan elektron, spektrometri jisim dan pencirian sinar-X serta pengimejan canggih untuk bahan buatan manusia dan semula jadi. Pada asasnya, ia menyokong semua bidang penyelidikan eksperimen universiti, daripada kejuruteraan, sains bahan, sains hayat, biologi, fizik kuantum dan peranti serta bahan kompleks polimer. Kami menyokong 700 hingga 800 projek dalam setahun dengan sekitar 750 pengguna.
Tidak seperti mikroskop optik standard, kebanyakan instrumen memerlukan tahap kepakaran yang tinggi untuk beroperasi. Kami memastikan pengguna dapat mengakses dan menggunakan instrumen sedemikian dengan berinteraksi dengan kakitangan dan pasukan yang cemerlang. Menyokong mereka supaya mereka boleh cemerlang dan menjalankan penyelidikan mereka. Mendemokrasikan akses kepada teknologi sempadan ini, itulah peranan CMM.
S: Adakah apa-apa yang anda ingin ingat sebagai ketua pusat?
A: Saya sentiasa berharap dapat menyediakan pelbagai alatan untuk sesiapa sahaja. Di sini, kepakaran kakitangan menjadi penting dan ahli pasukan CMM bekerjasama supaya cryo-TEM atau sebarang instrumen lain dapat digunakan semudah mungkin.
Kita juga perlu memikirkan masa depan dengan merancang lebih awal apa yang ingin digunakan oleh penyelidik dan membangunkan pelan penggantian dan penaiktarafan. Kami ingin mengemas kini instrumen setiap beberapa tahun kepada model terkini tetapi ini tidak selalunya mungkin - jadi penaiktarafan yang bijak membantu kami melanjutkan tempoh hayatnya atau membolehkan keupayaan baharu yang unik. Untuk tujuan ini, kami sentiasa perlu memohon dana penyelidikan dan membangunkan idea-idea yang cemerlang untuk membolehkan pembaharuan platform. Bagi saya, inilah yang saya panggil pencarian teknologi dan R&D tempatan, bahagian paling menarik dalam tugas saya.
Buat masa ini, kami sedang mengkaji sama ada kami boleh menyediakan keupayaan baharu yang tidak tersedia dengan pusat mikroskopik sedia ada. Untuk menjadi konkrit, aliran kerja yang harus kita panggil aliran kerja "krio bersepadu" sedang dikaji. Ini adalah idea untuk mengintegrasikan kaedah pencirian yang berbeza dalam siri aliran kerja yang berterusan, termasuk bukan sahaja krio SEM (mikroskop elektron pengimbas), krio TEM (mikroskop elektron penghantaran), tetapi juga mikroskop optik dan pengimejan spektrometri jisim pengimejan dan sebagainya dengan peningkatan gred automasi. Saya percaya bahawa salah satu peranan utama saya dalam CMM adalah untuk merealisasikan idea sedemikian.
Biasanya, sukar untuk memindahkan sampel dari satu instrumen ke instrumen yang lain. Matlamat kami adalah untuk memahami sampel dari sudut pandangan yang komprehensif. Ini bermakna, untuk menyiasat sampel pada skala yang berbeza, dan untuk memahami sampel dengan menggunakan lebih daripada satu pilihan maklumat kimia, dan pelbagai jenis data spektroskopi.
Secara konkrit, sistem pemindahan suhu rendah dan sistem yang boleh mengenal pasti kawasan sampel yang sama pada skala yang berbeza adalah yang perlu kami bangunkan bersama projek penyelidikan. Apa yang kami cuba wujudkan ialah, secara ringkasnya, saluran pengimejan merentasi modaliti dan instrumen pencirian.
Ini bukan kerana kami hanya ingin melakukannya. Malah, kami akan dapat memberikan hasil pengukuran yang unik kepada penyelidik pelbagai projek dengan lebih pantas sambil mengekalkan sampel yang asli (kurang artifak).
AIBN：Institut Biokejuruteraan dan Nanoteknologi Australia
Di kemudahan ini, kemudahan canggih seperti CMM dan pusat penyelidikan yang cemerlang disatukan.
S: Sila beritahu kami mengapa anda memilih untuk memperkenalkan TEM krio daripada JEOL Ltd.
A: Kami pernah menggunakan TEM krio daripada pengeluar lain. Walau bagaimanapun, kami terpaksa melakukan setiap langkah secara manual seperti pengenalan sampel dan pengurusan sampel. Semasa perolehan kali ini, dua pengeluar telah dipertimbangkan. Kami sebenarnya telah melawat makmal setiap pengeluar dan menguji instrumen mereka dengan sampel kami sendiri.
Saya menggunakan SEM dan STEM dengan pistol elektron pancaran medan sejuk semasa saya melanjutkan pengajian kedoktoran. Jadi, saya tahu bahawa pistol elektron jenis ini boleh memberikan resolusi, koheren dan pemindahan kontras fasa yang lebih tinggi (*2). Saya sangat prihatin tentang prinsip kerja TEM pancaran medan sejuk JEOL. Oleh itu, kami menguji instrumen di beberapa lokasi termasuk Tokyo, dan juga memeriksa instrumen pesaing JEOL. Hasilnya, kami dapat mengesahkan bahawa instrumen JEOL boleh mencapai nisbah S/N dan resolusi tinggi yang jauh lebih baik dalam imej yang diperolehi.
*Fungsi pemindahan kontras 2 Fasa:
Perubahan fasa gelombang elektron tidak dapat diperhatikan (dikesan) dalam imej TEM secara normal. Dengan menukar perubahan fasa kepada perubahan amplitud, perubahan fasa dapat diperhatikan dalam imej TEM. Fungsi yang menyatakan sejauh mana amplitud yang ditukar daripada perubahan fasa gelombang terbelau menyumbang (dipindahkan) kepada imej TEM dipanggil fungsi pemindahan kontras fasa.
Di samping itu, produk JEOL mempunyai penapis omega (*3) yang disertakan dalam lajur tersebut. Apabila sampel mikroskopik dikendalikan, kadangkala, penapisan kehilangan sifar (*4) yang dipanggil mungkin diperlukan. Penapis ini disepadukan ke dalam sistem optik elektron. Jadi, penapisan kehilangan sifar boleh dilakukan dengan mudah seperti yang diperlukan serta imej yang ditapis tenaga tanpa memerlukan pengiraan atau operasi berasingan dengan memasang penapis tenaga tambahan daripada pihak ketiga.
*3 Penapis Omega: Penapis tenaga jenis dalam lajur yang dipasang di antara kanta perantaraan dan projektor dalam mikroskop elektron penghantaran. Ia digunakan terutamanya untuk mendapatkan imej yang ditapis (imej kehilangan sifar), corak CBED kehilangan sifar dan imej kehilangan tenaga.
*Penapisan kehilangan 4 sifar: Pemilihan atau penyingkiran elektron yang telah kehilangan sejumlah tenaga tertentu semasa melalui sampel. Ini digunakan untuk meningkatkan kontras imej dan membolehkan analisis unsur.
Instrumen JEOL boleh memuatkan sehingga 12 sampel dalam port krio dan 1 hingga 4 sampel boleh ditukar pada satu masa. Sebaliknya, produk pesaing memerlukan keseluruhan kartrij, kesemua 12 sampel dimunggah. Disebabkan oleh sebab-sebab utama ini dan beberapa sebab lain, kami telah memilih produk JEOL.
S: Saya rasa anda pernah mengalami situasi yang teruk semasa pandemik COVID-10 seperti larangan perjalanan dan penutupan rangkaian pengangkutan. Bagaimanakah anda mendapat sokongan daripada JEOL?
A: Pengenalan TEM krio berjalan lancar. Tepat sebelum kemasukan COVID-19 di negara ini, instrumen telah dihantar dan pemasangan dimulakan. Ia bernasib baik. Walau bagaimanapun, bukannya tiada masalah. Kami faham bahawa instrumen ini sentiasa boleh menyebabkan banyak masalah dalam penalaan dan sebagainya. Walau bagaimanapun, kami dapat menumpukan diri kepada karya asal. Dan kemudian, kami dapat menyumbang kepada pembangunan Pengapit Molekul. Secara terus terang, sokongan JEOL sangat baik dan membantu untuk bermula.
S: Pada pendapat anda, bagaimanakah EM krio akan maju dalam tempoh 5 hingga 10 tahun akan datang?
A: Satu perkara ialah saiz biomolekul yang boleh dikendalikan. Gabungan cryo EM dan kaedah analisis zarah tunggal kini merupakan standard baharu untuk penentuan struktur. Tambahan pula, molekul 40,000Da (*5) atau lebih kecil akan menjadi sasaran. Saya rasa hanya soal masa.
Dengan menjadikan lajur tempat pistol elektron berada lebih stabil, meningkatkan resolusi kamera, meningkatkan kelajuan pemprosesan dan kawasan lain, maka anda mungkin akan mencapai 20,000 Da. Ini digabungkan dengan goniometer berketepatan tinggi juga akan memberi manfaat kepada Tomografi TEM krio dan MikroED.
*5 Da (Dalton): Unit jisim di mana satu perdua belas (1/12) daripada jisim atom karbon-12 diambil sebagai satu unit.
Perkara lain ialah pembangunan TEM krio generasi akan datang berdasarkan pistol elektron pancaran medan sejuk. Ini adalah jenis model dengan voltan pecutan yang agak rendah iaitu 80 kv hingga 120 kv, pengesan berkelajuan tinggi dan pemuat automatik yang disediakan. Inilah yang digambarkan oleh Richard Henderson (pemenang hadiah Nobel dalam kimia dengan EM krio) sebagai TEM krio "demokratik". Ia adalah TEM krio kos rendah yang boleh digunakan oleh lebih ramai orang, iaitu jenis yang telah lama ingin dibangunkannya.
*Rujukan: Hadiah Nobel dalam Kimia 2017
Walau apa pun, untuk pembangunan selanjutnya bagi instrumentasi teknologi mendalam yang kompleks itu, saya fikir adalah penting bagi sesebuah syarikat untuk secara proaktif membangunkan produk cemerlang generasi akan datang bersama-sama penyelidik di seluruh dunia, yang saya tahu JEOL melakukannya dengan baik.
Profil
Prof. Roger Albert Wepf
Profesor, Pengarah Pusat Mikroskopi dan Mikroanalisis (CMM), Universiti Queensland
Dilahirkan di Strasbourg, Perancis.
Roger mempunyai ijazah dalam biologi sel dan penyelidikan struktur dari Institut Teknologi Persekutuan Switzerland (ETH) pada tahun 1992. Berikutan penyelidikan pasca doktoralnya, beliau menyertai program instrumentasi fizikal dalam Kumpulan Max Haider di Makmal Biologi Molekul Eropah di Heidelberg di mana beliau terlibat dalam pembangunan teknologi mikroskopi krio-elektron. Seterusnya, beliau berkhidmat sebagai ketua jabatan mikroskopi analitikal di sektor swasta di Hamburg.
Pada tahun 2006, beliau menjadi pengarah pusat mikroskop elektron, ETH Zurich. Pada tahun 2014, beliau dilantik sebagai Pengarah Teknikal Pusat Mikroskopi Optik dan Elektron (ScopeM). Beliau berkhidmat sebagai presiden Persatuan Mikroskopi Eropah dari tahun 2012 hingga 2016.
Temu bual ini telah dijalankan pada November 2025. Profesor Roger Wepf telah meninggal dunia pada 4 Jun 2026. Kami amat berterima kasih atas kebaikan, sokongan yang murah hati, dan kesediaan beliau untuk berkongsi pandangan beliau dalam temu bual ini. Kami mengucapkan takziah yang mendalam kepada keluarga, rakan-rakan, dan rakan sekerja beliau, dan memperingati beliau dengan penuh rasa hormat dan kesyukuran. Semoga beliau bersemadi dengan aman damai.