Illustrazione di una fibrilla in crescita nella trappola e nel laser. Attestazione:Martin Fränzl
Più di 24 milioni di persone nel mondo soffrono di malattie neurodegenerative come l'Alzheimer, Parkinson o Huntington. Le cause molecolari di queste malattie sono state finora poco studiate. Un team di scienziati dell'Università di Lipsia e dell'Università tecnica di Dresda, così come il Kurt Schwabe Institute Meinsberg, sta ora esaminando questi meccanismi molecolari con nuovi approcci, e ha sviluppato una tecnica che prevede una trappola termica per molecole. I ricercatori hanno pubblicato i loro risultati in Metodi della natura .
I ricercatori presumono che la causa di queste malattie neurodegenerative sia l'aggregazione di piccole molecole proteiche chiamate peptidi. I peptidi di solito svolgono diversi compiti nel corpo con la loro speciale struttura tridimensionale. Per esempio, agiscono come ormoni, sono coinvolti nel trasporto di sostanze attraverso la membrana cellulare, e hanno funzioni antibiotiche e antivirali. Però, quando i peptidi si uniscono per formare piccoli aggregati o strutture insolubili ancora più grandi chiamate placche o amiloidi, la loro funzione originaria è persa, e gli aggregati peptidici possono essere tossici.
Il modo in cui i singoli peptidi diventano aggregati più piccoli e infine fibrille non è chiaro e sperimentalmente difficile da osservare. Anche la crescita delle fibrille non è stata sufficientemente risolta poiché quasi tutti gli studi precedenti sono stati effettuati solo per grandi quantità di molecole costituite da una miscela di peptidi, aggregati e fibrille di diverse dimensioni.
I ricercatori hanno escogitato nuovi approcci esplicativi:"Quando si esaminano miscele di singole molecole, aggregati e fibrille per le loro proprietà, si ottiene un quadro di molti effetti sovrapposti. Un passo importante verso una comprensione dettagliata a livello molecolare è studiare la crescita delle singole fibrille amiloidi, " spiega il Prof. Dr. Frank Cichos, capo del progetto all'Università di Lipsia.
Usando la loro trappola termica di nuova concezione, i ricercatori hanno intrappolato singole fibrille in soluzioni fisiologiche per diverse ore al microscopio e per la prima volta, osservato la crescita della fibrilla, la sua rottura e l'ulteriore crescita dei frammenti. "Sviluppare una tecnica per questo scopo è stato un compito difficile. Le molecole nei liquidi si muovono costantemente a causa della temperatura del liquido. Questo cosiddetto movimento browniano le spinge rapidamente fuori dal nostro campo di osservazione, e possiamo osservare solo le singole fibrille per un tempo molto breve, "dice Martin Fränzl, un dottorando nel progetto.
I ricercatori stanno ora sfruttando l'energia termica che fa sì che il movimento browniano intrappoli le fibrille in un piccolo volume. "Usiamo un laser per riscaldare un minuscolo anello di metallo all'interno del quale sono intrappolati gli aggregati. Le differenze di temperatura risultanti nella soluzione con i peptidi li guidano in qualsiasi direzione da noi specificata, " spiega Tobias Thalheim, che ha lavorato con Martin Fränzl sulle trappole termiche. Ma l'intrappolamento delle amiloidi non basta. La trappola a temperatura controllata consente inoltre agli scienziati di tracciare e analizzare matematicamente il movimento delle fibrille. Con l'aiuto del movimento rotatorio delle fibrille, hanno osservato il cambiamento di dimensione delle fibrille fino a un milionesimo di centimetro, e quindi determinato con precisione il loro tasso di crescita.
"Ora possiamo vedere processi che erano stati precedentemente ipotizzati, ma per i quali non c'erano prove sperimentali dirette, " spiega Cichos. Per la crescita delle fibrille, la loro rottura dovrebbe svolgere un ruolo importante, poiché raddoppia il numero di estremità libere dove la crescita continua. Gli esperimenti mostrano che le fibrille si rompono e quindi formano nuovi germogli, che aiutano i peptidi ad aggregarsi più velocemente. "C'è ora una moltitudine di nuovi esperimenti che sono possibili, e possiamo seguire strade che prima non erano possibili, "dice Cichos.
Prof. Dr. Michael Mertig dell'Università tecnica di Dresda, direttore del Kurt Schwabe Institute for Measurement and Sensor Technology e.V. Meinsberg, aggiunge, "Allo stesso tempo, questo lavoro mostra l'enorme potenziale nello sviluppo di sistemi di analisi fotonica miniaturizzati per la diagnostica medica".