Ny mikroskopimetode giver et hidtil uset kig på amyloidproteinstruktur

Neurodegenerative sygdomme som Alzheimers og Parkinsons er ofte ledsaget af amyloidproteiner i hjernen, der er blevet sammenklumpet eller fejlfoldet. En nyudviklet teknik, der måler orienteringen af ​​enkelte molekyler, gør det muligt at bruge optisk mikroskopi, for første gang, at afsløre detaljer i nanoskala om strukturerne af disse problematiske proteiner.

Forskere fra Washington University i St. Louis beskriver deres nye tilgang i Optica , Det Optiske Selskabs tidsskrift.

"Neurodegenerative lidelser som Alzheimers og Parkinsons sygdomme er førende dødsårsager over hele verden, " sagde Tianben Ding, medførsteforfatter til det nye papir. "Vi håber, at vores enkelt-molekyle orientering billeddannelsestilgang kan give ny indsigt i amyloid struktur og muligvis bidrage til den fremtidige udvikling af effektive terapeutiske midler mod disse sygdomme."

Biologiske og kemiske processer i hjernen er drevet af komplicerede bevægelser og interaktioner mellem molekyler. Selvom de fleste amyloidproteiner kan være ugiftige, fejlfoldning af selv nogle få kunne i sidste ende dræbe mange neuroner.

"Vi har brug for billeddannelsesteknologier, der kan se disse molekylære bevægelser i levende systemer for at forstå de grundlæggende biologiske mekanismer af sygdom, "forklarede Matthew D. Lew, leder af forskergruppen. "Amyloid- og prion-type sygdomme som Alzheimers, Parkinsons og diabetes er vores første mål for denne teknologi, men vi ser det også blive brugt på mange andre områder."

Valg af det bedste mikroskop

Lews laboratorium har udviklet adskillige enkelt-molekyle super-opløsning mikroskopi metoder, der måler orienteringen og placeringen af ​​fluorescerende molekyler knyttet til enkelte proteiner. Orienteringsoplysningerne opnås ved at måle ikke kun placeringen af ​​fluorescens i prøven, men også karakteristika for det lys, såsom polarisering, som typisk ignoreres i de fleste andre mikroskopimetoder.

I deres Optica artikel, forskerne beskrev en præstationsmåling, de har designet til at karakterisere, hvor følsomt forskellige mikroskoper kan måle orienteringer af fluorescerende molekyler. Ved at bruge den nye præstationsindikator, forskerne fandt, at et mikroskop, der opdeler fluorescenslys i to polarisationskanaler (x og y), giver overlegne og praktiske orienteringsmålinger.

"Metricen, vi udviklede, beregner ydeevnen af ​​et bestemt mikroskopdesign 1, 000 gange hurtigere end før, " sagde Tingting Wu, medførsteforfatter til værket. "Ved at måle orienteringerne af enkelte molekyler bundet til amyloidaggregater, det valgte mikroskop gjorde det muligt for os at kortlægge forskelle i amyloidstrukturens organisation, som ikke kan påvises af standardlokaliseringsmikroskoper."

Da der ikke er nogen kunstig forbindelse mellem de fluorescerende prober og amyloidoverflader, probernes bindingsorientering til amyloidoverfladerne formidler information om, hvordan selve amyloidproteinet er organiseret. Forskerne kvantificerede, hvordan orienteringen af ​​fluorescerende molekyler varierede hver gang, der blev knyttet til et amyloidprotein. Forskelle i disse bindingsadfærd kan tilskrives strukturforskelle mellem amyloidaggregater. Fordi metoden giver enkelt-molekyle information, forskerne kunne observere forskelle i nanoskala mellem amyloidstrukturer uden at udligne detaljer om lokale træk.

Muligheder for længerevarende studier

"Vi planlægger at udvide metoden til at overvåge ændringer i nanoskala inden for og mellem amyloidstrukturer, når de organiserer sig over timer til dage, " sagde Ding. "Langtidsundersøgelser af amyloidaggregater kan afsløre nye sammenhænge mellem, hvordan amyloidproteiner er organiseret, og hvor hurtigt de vokser eller spontant opløses."

Forskerne bemærker, at det set-up, de brugte til orienterings-lokaliseringsmikroskopi, bestod af kommercielt tilgængelige dele, der er tilgængelige for alle, der udfører enkeltmolekyle super-opløsningsmikroskopi. Deres analysekode er tilgængelig på https://github.com/Lew-Lab/RoSE-O.

"Ved optisk mikroskopi og billeddannelse, videnskabsmænd og ingeniører har rykket grænserne for billeddannelse for at være hurtigere, sonde dybere og have højere opløsning, " sagde Lew. "Vores arbejde viser, at man kan kaste lys over grundlæggende processer i biologi ved at i stedet, med fokus på molekylær orientering, som kan afsløre detaljer om biologiens indre funktioner, som ikke kan visualiseres ved traditionel mikroskopi."