Naukowcy z EPFL odkryli, w jaki sposób fibryle amyloidowe tworzą złożone struktury, co rzuca nowe światło na choroby takie jak choroba Alzheimera i otwiera nowe możliwości w nauce o materiałach.
Amyloidy to agregaty białkowe, które mogą tworzyć się w organizmie, czasami prowadząc do chorób takich jak choroba Alzheimera. Te fibryle mogą przyjmować wiele kształtów, znanych jako „polimorfy”, co komplikuje nasze zrozumienie ich roli w zdrowiu i chorobie. Zdolność do przekształcania się w różne struktury sprawia, że są one zarówno fascynujące, jak i trudne do zbadania.
Pomimo ich znaczenia, dokładne mechanizmy stojące za polimorfizmem amyloidu pozostają nieuchwytne. Tradycyjnie naukowcy rozpoznawali dwa główne typy struktur amyloidu: skręcone wstążki i helisy. Jednak pogląd ten rozszerza się, ponieważ nowe badania ujawniają jeszcze większą złożoność.
Włókna amyloidowe mogą występować w przypadku wielu różnych cząsteczek, takich jak insulina. Badając fibryle insuliny, naukowcy z EPFL i ETH Zurich dokonali znaczącego przełomu w zrozumieniu polimorfizmu amyloidu. Ich praca pokazuje, że fibryle amyloidu insuliny mogą skręcać się i wyginać w złożone kształty „mieszanej krzywizny” poprzez splatanie mniejszych pasm białek w sposób warstwowy, znany jako „hierarchiczne splatanie protofilamentów”.
Badania te prowadziły grupy Giovanniego Dietlera i Henninga Stahlberga z EPFL oraz Raffaele Mezzengi z ETH w Zurychu, a ich wyniki opublikowano w Zaawansowana nauka .
Aby zbadać powstawanie fibryli amyloidu insuliny, naukowcy wykorzystali mikroskopię sił atomowych (AFM), technikę obrazowania o wysokiej rozdzielczości, która wykorzystuje maleńką sondę mechaniczną do skanowania i mapowania powierzchni próbki w skali nanometrowej. Za pomocą AFM monitorowali proces fibrylizacji, obserwując jego ewolucję przez typowe etapy nukleacji, wzrostu i nasycenia.
Poprzez szczegółową analizę skategoryzowali morfologie włókienek na podstawie ich wysokości, skoku skrzyżowania i amplitudy. To podejście pozwoliło im zidentyfikować szeroki wachlarz wieloniciowych struktur włókienek, ujawniając złożony krajobraz polimorfizmu amyloidu.
Badanie wykazało, że fibryle amyloidu insuliny mogą tworzyć polimorfy o mieszanej krzywiźnie poprzez przeplatanie protofilamentów i protofibryli – mniejszych jednostek fibryli. Protofilamenty to podstawowe jednostki strukturalne, zbudowane z cząsteczek białka. Gdy się wyrównują i skręcają, tworzą protofibryle, które są strukturami pośrednimi, które ostatecznie łączą się, tworząc dojrzałe fibryle.
To „hierarchiczne przeplatanie się protofilamentów” obejmuje zarówno skręcanie, jak i zginanie, tworząc złożone struktury o unikalnych cechach. W rzeczywistości badacze odkryli, że te polimorfy o mieszanej krzywiźnie są bardziej powszechne, niż wcześniej sądzono, zwłaszcza w trakcie wydłużonych okresów inkubacji.
Naukowcy odkryli również, że większość protofilamentów i fibryli insuliny wykazuje lewoskrętny skręt, cechę tę utrzymującą się w miarę dojrzewania fibryli, co poszerza naszą wiedzę na temat polimorfizmu amyloidu o kolejny element chiralności (lewoskrętność lub prawoskrętność).
Badanie ma istotne implikacje dla leczenia chorób związanych z amyloidem. Rzucając światło na skomplikowany proces splatania się protofilamentów, dostarcza nowych celów interwencji terapeutycznej. Oprócz medycyny i rozwoju leków, odkrycia mogą również doprowadzić do opracowania nowych materiałów opartych na fibrylach amyloidu, z potencjalnymi zastosowaniami w biotechnologii i nauce o materiałach.
Ministerstwo Nauki i Innowacji
Europejski Fundusz Społeczny Plus (ESF+)
Stypendium Ramóna y Cajala
Bibliografia
Jiangtao Zhou, Salvatore Assenza, Meltem Tatli, Jiawen Tian, Ioana M. Ilie, Eugene L. Starostin, Amedeo Caflisch, Tuomas PJ Knowles, Giovanni Dietler, Francesco S. Ruggeri, Henning Stahlberg, Sergey K. Sekatskii, Raffaele Mezzenga (2024). Hierarchical Protofilament Intertwining Rules the Formation of Mixed-Curvature Amyloid Polymorphs. Advanced Science 20 czerwca 2024 r. DOI: 10.1002/advs.202402740
