Fra champagnebobler, dansefester og sygdom til nye nanomaterialer

Uanset om det er skyer eller champagnebobler, der dannes, eller den tidlige indtræden af ​​Alzheimers sygdom eller type 2-diabetes, en fælles mekanisme er på arbejde:kernedannelsesprocesser.

Kernedannelsesprocesser er et første trin i den strukturelle omlejring involveret i faseovergangen af ​​stof:en væske, der omdannes til en gas, en gas bliver til en væske og så videre. skyer, kogende vand, bobler, og nogle sygdomsstadier er alle karakteriseret ved dannelsen af ​​en ny termodynamisk fase, som kræver, at nogle af de mindste enheder af den nye struktur dannes, før denne nye fase kan vokse. At forstå denne proces er afgørende for at forebygge, standsning eller behandling af tilfælde af nukleationsprocesser, der er gået galt - såsom i menneskelig sygdom. Nu, et team af forskere fra University College London og University of Cambridge i Storbritannien i samarbejde med Harvard University har gjort fremskridt i retning af at forstå dette problem fra et molekylært synspunkt i en ny undersøgelse. Deres fund er væsentligt på tværs af en række fænomener, fra menneskelig sygdom til nanoteknologi.

"Måske ville et intuitivt eksempel på kernedannelse være den måde, hvorpå et stille middagsselskab pludselig forvandler sig til et dansende; en sådan overgang kræver normalt, at flere mennesker begynder at danse på én gang, fungerer som en 'kerne', som dansepartiet samles omkring, " forklarede Anđela Šarić, hovedmedforfatter ved University College London og University of Cambridge. Resultaterne af denne undersøgelse vil blive vist i denne uge i The Journal of Chemical Physics .

"Som almindeligt observeret, hvis denne gruppe af dansere er for lille, det har en tendens til at blive ignoreret; imidlertid, over en vis størrelse, denne dansende kerne tiltrækker flere og flere mennesker, til sidst dominerer rummet, " tilføjer Thomas Michaels, den anden hovedmedforfatter. Dette minimumsantal af dansende mennesker, der kræves for at transformere festen, er det, der i termodynamiske termer er almindeligt kendt som "den kritiske kerne."

I deres forskning, holdet betragter et særligt spændende eksempel på en kerneformet proces:dannelsen af ​​proteinfilamenter. Mange filamentøse strukturer af proteiner såsom actin og tubulin er nøglen til væksten, strukturel dannelse, bevægelse og deling af celler. De er et væsentligt kendetegn ved levende systemer. Imidlertid, proteinfilamenter kan også være sygdomsfremkaldende:Over 50 almindelige lidelser, herunder Alzheimers sygdom, Parkinsons sygdom, og type 2 diabetes, er forbundet med dannelsen og aflejringen i hjernen eller andre organer af proteinfilamenter, almindeligvis kendt som amyloider.

Ved at bruge en kombination af teori og computersimuleringer udforskede forfatterne kernedannelsen af ​​proteinfilamenter. Deres mål var at etablere de grundlæggende fysiske principper bag det. Deres resultater viste, at en tilsyneladende kompliceret proces med fibrilkernedannelse faktisk er styret af en relativt simpel fysisk mekanisme:Uorganiserede klynger af proteiner - såkaldte oligomerer - dannes i starten.

Disse strukturer ligner endnu ikke proteinfilamenter, men skal gennemgå en strukturel omdannelse, før de kan vokse til modne filamenter, Šarić forklarede. De fandt ud af, at blandt mange forskellige trin i fibrilkernedannelse, formændringen inde i oligomerer er det hastighedsbestemmende trin. Derfor, konformationelle ændringer i proteinet inde i oligomerer (der fører til dannelsen af ​​β-sheet-konfigurationer) er afgørende for at forstå fibrilkernedannelse. Tidligere, størrelsen af ​​kritisk kerne blev betragtet som den hastighedsbestemmende faktor.

Undersøgelsen repræsenterer et vigtigt skridt fremad i den mekanistiske forståelse af den måde, hvorpå proteinfilamenter dannes. En sådan forståelse er nøglen til at studere de tidlige stadier i begyndelsen af ​​sygdomme forbundet med proteinaggregering, da oligomerer i stigende grad menes at være den primære årsag til cellulær toksicitet.

"Forståelse af, hvilke trin på mikroskopisk niveau, der er bestemmende for dannelsen af ​​proteinfibriller, kan give uvurderlig information til at designe rationelle terapier rettet mod at undertrykke patogen oligomergenerering, " forklarede Šarić

I øvrigt, på grund af deres unikke fysisk-kemiske egenskaber, proteinfilamenter finder omfattende anvendelser inden for materialevidenskab som biomaterialer til nanoteknologi, " sagde Michaels. "Bedre kontrol med filamentøs vækst ville gavne produktionen af ​​nye funktionelle materialer, der har omfattende anvendelser inden for materialevidenskab som biomaterialer til nanoteknologi."