5-D protein fingeraftryk kunne give indsigt i Alzheimers, Parkinsons

I forskning, der en dag kan føre til fremskridt mod neurodegenerative sygdomme som Alzheimers og Parkinsons, Ingeniørforskere fra University of Michigan har demonstreret en teknik til præcist at måle egenskaberne af individuelle proteinmolekyler, der flyder i en væske.

Proteiner er essentielle for hver celles funktion. Måling af deres egenskaber i blod og andre kropsvæsker kan låse op for værdifuld information, da molekylerne er en vital byggesten i kroppen. Kroppen fremstiller dem i en række komplekse former, der kan overføre beskeder mellem celler, bære ilt og udføre andre vigtige funktioner.

Sommetider, imidlertid, proteiner dannes ikke ordentligt. Forskere mener, at nogle typer af disse misdannede proteiner, kaldet amyloider, kan klumpe sig sammen til masser i hjernen. De klæbrige tangles blokerer normal cellefunktion, fører til hjernecelledegeneration og sygdom.

Men processerne for, hvordan amyloider dannes og klumper sig sammen, er ikke godt forstået. Dette skyldes til dels, at der i øjeblikket ikke er en god måde at studere dem på. Forskere siger, at de nuværende metoder er dyre, tidskrævende og svær at fortolke, og kan kun give et bredt billede af det samlede niveau af amyloider i en patients system.

Forskere fra University of Michigan og University of Fribourg, der udviklede den nye teknik, mener, at den kunne hjælpe med at løse problemet ved at måle et individuelt molekyles form, bind, elektrisk ladning, rotationshastighed og tilbøjelighed til binding til andre molekyler.

De kalder denne information et "5-D fingeraftryk" og mener, at den kan afsløre ny information, der en dag kan hjælpe læger med at spore status for patienter med neurodegenerative sygdomme og muligvis endda udvikle nye behandlinger. Deres arbejde er beskrevet detaljeret i et papir udgivet i Natur nanoteknologi .

"Forestil dig udfordringen med at identificere en specifik person udelukkende baseret på deres højde og vægt, " sagde David Sept, en U-M biomedicinsk ingeniørprofessor, der arbejdede på projektet. "Det er i bund og grund den udfordring, vi står over for med de nuværende teknikker. Forestil dig, hvor meget lettere det ville være med yderligere deskriptorer som køn, hårfarve og tøj. Det er den slags nye oplysninger, som 5-D fingeraftryk giver, gør det meget nemmere at identificere specifikke proteiner."

Michael Mayer, hovedforfatteren på undersøgelsen og en tidligere U-M-forsker, der nu er professor i biofysik ved Schweiz' Adolphe Merkle Institut, siger, at identifikation af individuelle proteiner kan hjælpe læger med at holde bedre styr på status for en patients sygdom, og det kan også hjælpe forskere med at få en bedre forståelse af præcis, hvordan amyloidproteiner er involveret i neurodegenerativ sygdom.

For at tage de detaljerede mål, forskerholdet bruger en nanopore på 10-30 nanometer bred - så lille, at kun ét proteinmolekyle kan passe igennem ad gangen. Forskerne fyldte nanoporen med en saltopløsning og førte en elektrisk strøm gennem opløsningen.

Når et proteinmolekyle vælter gennem nanoporen, dens bevægelse forårsager små, målbare udsving i den elektriske strøm. Ved omhyggeligt at måle denne strøm, forskerne kan bestemme proteinets unikke femdimensionelle signatur og identificere det næsten øjeblikkeligt.

"Amyloidmolekyler varierer ikke kun meget i størrelse, men de har en tendens til at klumpe sig sammen til masser, der er endnu sværere at studere, " sagde Mayer. "Fordi den kan analysere hver partikel en efter en, denne nye metode giver os et meget bedre vindue til, hvordan amyloider opfører sig inde i kroppen."

Ultimativt, holdet sigter mod at udvikle en enhed, som læger og forskere kan bruge til hurtigt at måle proteiner i en prøve af blod eller anden kropsvæske. Dette mål er sandsynligvis flere år tilbage; i mellemtiden, de arbejder på at forbedre teknikkens nøjagtighed, finpudse det for at få en bedre tilnærmelse af hvert proteins form. De tror på, at i fremtiden, teknologien kan også være nyttig til at måle proteiner forbundet med hjertesygdomme og i en række andre applikationer.

"Jeg tror, ​​at mulighederne er ret store, " sagde Sept. "Antistoffer, større hormoner, måske kunne patogener alle påvises. Syntetiske nanopartikler kunne også let karakteriseres for at se, hvor ensartede de er."

Undersøgelsen har titlen "Real-time formtilnærmelse og fingeraftryk af enkelte proteiner ved hjælp af en nanopore."