Ученые используют рентгеновский лазер для получения информации о структуре белков Альцгеймера

        

Новый экспериментальный метод позволяет провести рентгенографический анализ амилоидов, класс крупных нитевидных биомолекул, которые являются важным отличительным признаком таких заболеваний, как болезнь Альцгеймера и Паркинсона. Международная команда исследователей, возглавляемая учеными DESY, использовала мощный рентгеновский лазер, чтобы получить представление о структуре различных амилоидных образцов. Рассеяние рентгеновских лучей из амилоидных фибрилл дает образцы, несколько похожие на полученные Розалиндой Франклин из ДНК в 1952 году, что привело к открытию хорошо известной структуры, двойной спирали. Рентгеновский лазер, триллионы раз более интенсивный, чем рентгеновская трубка Франклина, открывает способность исследовать отдельные амилоидные фибриллы, составляющие амилоидных нитей. Благодаря таким мощным рентгеновским лучам любой посторонний материал может подавлять сигнал от невидимо маленького образца фибриллы. Ультратонкая углеродная пленка – графен – решила эту проблему, чтобы можно было регистрировать чрезвычайно чувствительные образцы. Это знаменует собой важный шаг к изучению отдельных молекул с использованием рентгеновских лазеров, цель, которую уже давно проводят структурные биологи. Ученые представляют свою новую технику в журнале Nature Communications .

Амилоиды – это длинные упорядоченные нити белков, которые состоят из тысяч идентичных субъединиц. Хотя считается, что амилоиды играют важную роль в развитии нейродегенеративных заболеваний, в последнее время выявлены все более функциональные амилоидные формы. Например, эндорфин «хорошо зарекомендовавший себя гормон» может образовывать амилоидные фибриллы в гипофизе. Они растворяются в отдельных молекулах, когда изменяется кислотность их окружения, после чего эти молекулы могут выполнять свою задачу в организме », – объясняет DESY Carolin Seuring, ученый из Центра свободной электронной лазерной науки (CFEL) и главный автор статьи. «Другие амилоидные белки, такие как те, которые обнаружены в посмертных мозгах пациентов, страдающих от болезни Альцгеймера, накапливаются в виде амилоидных фибрилл в головном мозге и не могут быть разрушены и, следовательно, нарушают работу мозга в долгосрочной перспективе».

Ученые пытаются как можно точнее определить пространственную структуру амилоидов, чтобы использовать эту информацию, чтобы узнать больше о том, как функционируют белковые фибриллы: «Наша цель – понять роль образования и структуры амилоидных фибрилл в организме и в развитии нейродегенеративных заболеваний », – говорит Сериндинг, описывая мотивацию команды. «Структурный анализ амилоидов является сложным, и изучение их с использованием существующих методов затруднено различиями между фибриллами в пределах одного образца». Команда использовала лазерные лазеры LC с быстрым лазерным излучением в Национальном центре ускорителей SLAC в США

Одна из проблем заключается в том, что нити амилоидов, известные как фибриллы, нельзя выращивать в виде кристаллов, что является обычным методом проведения структурных исследований атомного разрешения с использованием рентгеновских лучей. Индивидуальные амилоидные фибриллы имеют толщину всего несколько нанометров и, как правило, слишком малы для получения измеримого сигнала при воздействии рентгеновских лучей. По этой причине обычный подход состоит в том, чтобы выстроить миллионы этих фибрилл параллельно друг другу и связать их так, чтобы их сигналы складывались. Однако это означает, что дифракционные картины создаются всем ансамблем, и информация о структурных различиях между отдельными фибриллами теряется. «Большая часть нашего понимания фибрилл амилоида получена из данных ядерного магнитного резонанса (ЯМР) и криоэлектронной микроскопии», – объясняет Сериндинг. «Когда вы работаете с образцами, которые являются гетерогенными, как амилоиды, однако, а также при наблюдении за динамикой образования фибрилл существующие методы достигают своих пределов».

Чтобы получить доступ к структурной информации таких гетерогенных образцов в будущем, команда выбрала новый экспериментальный подход. Вместо того, чтобы суспендировать отдельные амилоиды в жидкости-носителе, ученые помещали его на сверхтонкий твердый носитель из графена, в котором атомы углерода расположены по гексагональной схеме, скорее как атомные соты. «Эта типовая поддержка имеет двойную выгоду», – говорит профессор Генри Чепмен из CFEL, который является ведущим ученым DESY. «С одной стороны, графен – это всего лишь один слой атомов, тонкий и, в отличие от жидкости-носителя, выносливый оставляет след в дифракционной картине. Иначе говоря, его регулярная структура гарантирует, что белковые фибриллы выровнены в одном направлении – при наименее в более крупных областях ». Дифракционные картины нескольких фибрилл перекрывают друг друга и усиливают друг друга, подобно кристаллу, но практически нет разрушающего фонового рассеяния, как в случае жидкости-носителя. Этот метод позволяет получить дифракционные картины из менее 50 амилоидных фибрилл, так что структурные различия проявляются более четко. «Мы наблюдали характерные асимметрии в наших данных, которые свидетельствуют о том, что наша техника может даже использоваться для определения структуры отдельных фибрилл», – говорит Сериндинг.

«Инструмент CXI в LCLS обеспечил исключительно яркий, нанофокусный луч, который позволил нам извлекать данные из такого небольшого количества волокон», – говорит соавтор Mengning Liang, ученый из SLAC. «Фибриллы являются третьей категорией образцов, которые могут быть изучены таким образом с помощью рентгеновских лазеров в дополнение к одиночным частицам и кристаллам. В некоторых отношениях фибриллы подходят между двумя другими: они имеют регулярные повторяющиеся изменения в структуре, такие как кристаллы, но без жесткой кристаллической структуры ».

Ученые протестировали свой метод на образцах вируса табачной мозаики, также впервые исследованный Розалиндой Франклин, и который формирует нити структуры, которая теперь известна очень подробно. Тест действительно предоставил структурные данные о вирусе с точностью 0,27 нанометра (миллионных долей миллиметра), что соответствует разрешению почти в масштабе одного атома. Изучение явно меньших амилоидных фибрилл, сделанных из эндорфина, а также амилоидных фибрилл, сделанных из гормонального бомбезина, которое, помимо прочего, связано с некоторыми видами рака, также предоставило некоторую структурную информацию с точностью 0,24 нанометра. Хотя данных было недостаточно для расчета полной структуры, исследование показывает большие перспективы для структурного поиска при появлении большего количества данных и открывает новый путь для структурного анализа амилоидов с использованием рентгеновских лазеров. «Удивительно, что мы проводим очень похожие эксперименты, как это делал Франклин, но теперь достигли уровня одиночных молекул», – говорит Чепмен.

Источник:

https://www.desy.de/news/news_search/index_eng.html?openDirectAnchor=1400&two_columns=1

      

Source link