Un nuovo metodo sperimentale permette l'analisi ai raggi X di amiloidi, una classe di grandi, biomolecole filamentose che sono un importante segno distintivo di malattie come l'Alzheimer e il Parkinson. Un team internazionale di ricercatori guidati da scienziati DESY ha utilizzato un potente laser a raggi X per ottenere informazioni sulla struttura di diversi campioni di amiloide. La diffusione dei raggi X dalle fibrille amiloidi fornisce modelli in qualche modo simili a quelli ottenuti da Rosalind Franklin dal DNA nel 1952, che portò alla scoperta della nota struttura, la doppia elica.

Il laser a raggi X, trilioni di volte più intenso del tubo a raggi X di Franklin, apre la capacità di esaminare le singole fibrille amiloidi, i costituenti dei filamenti amiloidi. Con fasci di raggi X così potenti, qualsiasi materiale estraneo può sopraffare il segnale dal campione di fibrilla invisibilmente piccolo. La pellicola di carbonio ultrasottile, il grafene, ha risolto questo problema per consentire la registrazione di modelli estremamente sensibili. Questo segna un passo importante verso lo studio di singole molecole utilizzando laser a raggi X, un obiettivo che i biologi strutturali perseguono da tempo. Gli scienziati presentano la loro nuova tecnica sulla rivista Comunicazioni sulla natura .

Le amiloidi sono lunghe, filamenti ordinati di proteine ​​che consistono di migliaia di subunità identiche. Mentre si ritiene che gli amiloidi svolgano un ruolo importante nello sviluppo delle malattie neurodegenerative, recentemente sono state identificate forme amiloidi sempre più funzionali. "L'endorfina "ormone del benessere", Per esempio, possono formare fibrille amiloidi nella ghiandola pituitaria. Si dissolvono in singole molecole quando cambia l'acidità dell'ambiente circostante, dopo di che queste molecole possono adempiere al loro scopo nel corpo, " spiega Carolin Seuring di DESY, uno scienziato presso il Center for Free-Electron Laser Science (CFEL) e l'autore principale dell'articolo. "Altre proteine ​​amiloidi, come quelli trovati nel cervello post-mortem di pazienti affetti da Alzheimer, si accumulano come fibrille amiloidi nel cervello, e non può essere scomposto e quindi compromettere la funzione cerebrale a lungo termine".

Gli scienziati stanno cercando di determinare la struttura spaziale delle amiloidi nel modo più accurato possibile, in modo da utilizzare queste informazioni per saperne di più su come funzionano le fibrille proteiche:"Il nostro obiettivo è comprendere il ruolo della formazione e della struttura delle fibrille amiloidi nel corpo e nello sviluppo delle malattie neurodegenerative, " dice Seuring nel descrivere la motivazione del team. "L'analisi strutturale delle amiloidi è complessa, ed esaminarli utilizzando i metodi esistenti è ostacolato dalle differenze tra le fibrille all'interno di un singolo campione." Il team ha utilizzato il laser a raggi X a elettroni liberi LCLS presso lo SLAC National Accelerator Center negli Stati Uniti.

Un problema è che i filamenti di amiloidi, note come fibrille, non possono essere coltivati ​​come cristalli, che è il metodo usuale per eseguire studi strutturali a risoluzione atomica usando i raggi X. Le singole fibrille amiloidi sono spesse solo pochi nanometri e quindi generalmente troppo piccole per produrre un segnale misurabile quando esposte ai raggi X. Per questa ragione, l'approccio usuale è quello di allineare milioni di queste fibrille parallele l'una all'altra, e raggrupparli in modo che i loro segnali si sommano. Però, questo significa che i modelli di diffrazione sono prodotti dall'intero insieme, e le informazioni sulle differenze strutturali tra le singole fibrille vengono perse. "Una parte importante della nostra comprensione delle fibrille amiloidi deriva da dati di risonanza magnetica nucleare (NMR) e microscopia crioelettronica, " spiega Seuring. "Quando si lavora con campioni eterogenei come le amiloidi, anche se, e anche osservando la dinamica della formazione delle fibrille, i metodi esistenti raggiungono i loro limiti."

Al fine di ottenere in futuro l'accesso alle informazioni sulla struttura di tali campioni eterogenei, il team ha optato per un nuovo approccio sperimentale. Invece di sospendere le singole amiloidi in un fluido vettore, gli scienziati lo hanno posizionato su un supporto solido ultrasottile fatto di grafene, in cui gli atomi di carbonio sono disposti in uno schema esagonale un po' come un nido d'ape atomico. "Questo supporto di esempio ha un doppio vantaggio, " afferma il professor Henry Chapman del CFEL, che è uno scienziato capo presso DESY. "Per una cosa, il grafene è solo un singolo strato di atomi sottili e in contrasto con un fluido vettore resistente lascia una traccia nel modello di diffrazione. Per un'altra cosa, la sua struttura regolare assicura che le fibrille proteiche si allineino tutte nella stessa direzione, almeno in domini più grandi." I modelli di diffrazione di più fibrille si sovrappongono e si rinforzano a vicenda, proprio come in un cristallo, ma non c'è virtualmente alcuna dispersione di fondo distruttiva come nel caso di un fluido vettore. Questo metodo consente di ottenere modelli di diffrazione da meno di 50 fibrille amiloidi, in modo che le differenze strutturali emergano più chiaramente. "Abbiamo osservato asimmetrie caratteristiche nei nostri dati che suggeriscono che la nostra tecnica potrebbe essere utilizzata anche per determinare la struttura delle singole fibrille, "dice Seur.

"Lo strumento CXI di LCLS ha fornito un'immagine eccezionalmente brillante, raggio nanofocus che ci ha permesso di estrarre dati da un numero così ridotto di fibre, " riporta il coautore Mengning Liang, uno scienziato allo SLAC. "Le fibrille sono una terza categoria di campioni che possono essere studiati in questo modo con i laser a raggi X, oltre a singole particelle e cristalli. Per certi versi, le fibrille si incastrano tra le altre due:hanno regolari, variazioni ricorrenti nella struttura come i cristalli, ma senza la rigida struttura cristallina."

Gli scienziati hanno testato il loro metodo su campioni del virus del mosaico del tabacco, anche esaminato per la prima volta da Rosalind Franklin, e che forma filamenti di una struttura che ora è conosciuta in grande dettaglio. Il test ha infatti fornito dati strutturali sul virus con una precisione di 0,27 nanometri (milionesimi di millimetro) - corrispondenti a una risoluzione quasi della scala di un singolo atomo. L'esame di fibrille amiloidi nettamente più piccole fatte di endorfina e fibrille amiloidi fatte dell'ormone bombesina, che è coinvolto tra l'altro in alcuni tipi di cancro, fornito anche alcune informazioni strutturali, con una precisione di 0,24 nanometri. Sebbene i dati fossero insufficienti per calcolare la struttura completa, lo studio mostra grandi promesse per il recupero strutturale quando saranno disponibili più dati, e apre una nuova strada per l'analisi strutturale delle amiloidi mediante laser a raggi X. "È incredibile che stiamo conducendo esperimenti molto simili a quelli di Franklin, ma ora stanno raggiungendo il livello delle singole molecole, "dice Chapman.