Røntgenlaser åbner et nyt syn på Alzheimers proteiner

En ny eksperimentel metode tillader røntgenanalyse af amyloider, en klasse af store, filamentøse biomolekyler, som er et vigtigt kendetegn for sygdomme som Alzheimers og Parkinsons. Et internationalt team af forskere ledet af DESY-forskere har brugt en kraftig røntgenlaser til at få indsigt i strukturen af ​​forskellige amyloidprøver. Røntgenspredningen fra amyloidfibriller giver mønstre, der ligner dem, der blev opnået af Rosalind Franklin fra DNA i 1952, som førte til opdagelsen af ​​den velkendte struktur, den dobbelte helix.

Røntgenlaseren, billioner af gange mere intens end Franklins røntgenrør, åbner muligheden for at undersøge individuelle amyloidfibriller, bestanddelene af amyloidfilamenter. Med sådanne kraftige røntgenstråler kan ethvert uvedkommende materiale overvælde signalet fra den usynligt lille fibrilprøve. Ultratynd kulstoffilm - grafen - løste dette problem for at tillade ekstremt følsomme mønstre at blive optaget. Dette markerer et vigtigt skridt i retning af at studere individuelle molekyler ved hjælp af røntgenlasere, et mål, som strukturbiologer længe har forfulgt. Forskerne præsenterer deres nye teknik i tidsskriftet Naturkommunikation .

Amyloider er lange, ordnede strenge af proteiner, som består af tusindvis af identiske underenheder. Mens amyloider menes at spille en stor rolle i udviklingen af ​​neurodegenerative sygdomme, for nylig er flere og flere funktionelle amyloidformer blevet identificeret. "Feel-good-hormonet" endorfin, for eksempel, kan danne amyloidfibriller i hypofysen. De opløses i individuelle molekyler, når surhedsgraden i deres omgivelser ændres, hvorefter disse molekyler kan opfylde deres formål i kroppen, " forklarer DESYs Carolin Seuring, en videnskabsmand ved Center for Free-Electron Laser Science (CFEL) og hovedforfatteren af ​​papiret. "Andre amyloidproteiner, såsom dem, der findes i post-mortem hjerner hos patienter, der lider af Alzheimers, akkumuleres som amyloidfibriller i hjernen, og kan ikke nedbrydes og forringer derfor hjernens funktion på længere sigt."

Forskere forsøger at bestemme den rumlige struktur af amyloider så nøjagtigt som muligt, for at bruge denne information til at finde ud af mere om, hvordan proteinfibrillerne fungerer:"Vores mål er at forstå, hvilken rolle dannelsen og strukturen af ​​amyloidfibriller spiller i kroppen og i udviklingen af ​​neurodegenerative sygdomme, " siger Seuring i sin beskrivelse af teamets motivation. "Den strukturelle analyse af amyloider er kompleks, og at undersøge dem ved hjælp af eksisterende metoder er hæmmet af forskelle mellem fibrillerne i en enkelt prøve." Holdet brugte røntgenfri-elektronlaseren LCLS på SLAC National Accelerator Center i U.S.A.

Et problem er, at strengene af amyloider, kendt som fibriller, kan ikke dyrkes som krystaller, som er den sædvanlige metode til at udføre atomare opløsning strukturelle undersøgelser ved hjælp af røntgenstråler. Individuelle amyloidfibriller er kun nogle få nanometer tykke og derfor generelt for små til at producere et målbart signal, når de udsættes for røntgenstråler. Af denne grund, den sædvanlige tilgang er at opstille millioner af disse fibriller parallelt med hinanden, og samle dem, så deres signaler hænger sammen. Imidlertid, dette betyder, at diffraktionsmønstrene produceres af hele ensemblet, og information om strukturelle forskelle mellem de enkelte fibriller går tabt. "En stor del af vores forståelse af amyloidfibriller stammer fra nuklear magnetisk resonans (NMR) og kryo-elektronmikroskopidata, " forklarer Seuring. "Når du arbejder med prøver, der er lige så heterogene som amyloider, selvom, og også når man observerer dynamikken i fibrildannelse, de eksisterende metoder når deres grænser."

For at få adgang til strukturinformation om sådanne heterogene prøver i fremtiden, holdet valgte en ny eksperimentel tilgang. I stedet for at suspendere de individuelle amyloider i en bærervæske, placerede forskerne det på en ultratynd fast bærer lavet af grafen, hvor kulstofatomer er arrangeret i et sekskantet mønster ligesom en atomær bikage. "Denne prøvestøtte har en dobbelt fordel, " siger professor Henry Chapman fra CFEL, som er ledende videnskabsmand ved DESY. "For én ting, grafen er blot et enkelt lag atomer tyndt og i modsætning til en bærervæske efterlader det et spor i diffraktionsmønsteret. For en anden ting, dens regelmæssige struktur sørger for, at proteinfibrillerne alle flugter i samme retning - i det mindste i større domæner." Diffraktionsmønstrene for flere fibriller overlapper og forstærker hinanden, meget som i en krystal, men der er praktisk talt ingen forstyrrende baggrundsspredning som i tilfældet med en bærervæske. Denne metode gør det muligt at opnå diffraktionsmønstre fra færre end 50 amyloidfibriller, så de strukturelle forskelle kommer tydeligere frem. "Vi har observeret karakteristiske asymmetrier i vores data, som tyder på, at vores teknik endda kunne bruges til at bestemme strukturen af ​​individuelle fibriller, " siger Seuring.

"CXI-instrumentet på LCLS leverede en usædvanlig lysstærk, nanofokusstråle, der gjorde det muligt for os at udtrække data fra et så lille antal fibre, " rapporterer medforfatter Mengning Liang, en videnskabsmand ved SLAC. "Fibriller er en tredje kategori af prøver, der kan studeres på denne måde med røntgenlasere, ud over enkelte partikler og krystaller. I nogle henseender, fibriller passer mellem de to andre:de har regelmæssige, tilbagevendende variationer i struktur som krystaller, men uden den stive krystalstruktur."

Forskerne testede deres metode på prøver af tobaksmosaikvirus, også først undersøgt af Rosalind Franklin, og som danner filamenter af en struktur, der nu kendes meget detaljeret. Testen gav faktisk strukturelle data om virussen med en nøjagtighed på 0,27 nanometer (milliontedele af en millimeter) - svarende til en opløsning næsten på skalaen af ​​et enkelt atom. Undersøgelsen af ​​tydeligt mindre amyloidfibriller lavet af endorfin samt amyloidfibriller lavet af hormonet bombesin, som blandt andet er involveret i visse former for kræft, også givet nogle strukturelle oplysninger, med en nøjagtighed på 0,24 nanometer. Selvom dataene var utilstrækkelige til at beregne den komplette struktur, undersøgelsen viser store løfter for strukturel genfinding, når flere data bliver tilgængelige, og åbner en ny vej for strukturel analyse af amyloider ved hjælp af røntgenlasere. "Det er forbløffende, at vi udfører meget lignende eksperimenter som Franklin gjorde, men når nu niveauet af enkelte molekyler, " siger Chapman.