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Laser a raggi x di uso degli scienziati per guadagnare le comprensioni nella struttura delle proteine di Alzheimer

Un nuovo metodo sperimentale permette l'analisi di raggi x degli amiloidi, classe A di grandi, biomolecole filamentose che sono un marchio di garanzia importante delle malattie quale Alzheimer e Parkinson. Un gruppo internazionale dei ricercatori intestati dagli scienziati di DESY ha utilizzato un laser a raggi x potente per guadagnare le comprensioni nella struttura dei campioni differenti dell'amiloide. Lo scattering dei raggi x dalle fibrille dell'amiloide dà i reticoli in qualche modo simili a quelli ottenuti da Rosalind Franklin da DNA nel 1952, che piombo alla scoperta della struttura ben nota, la doppia elica. Il laser a raggi x, trilioni dei periodi più intensi del tubo radiogeno di Franklin, apre la capacità di esaminare le diverse fibrille dell'amiloide, i componenti dei filamenti dell'amiloide. Con tali raggi di raggi x potenti tutto il materiale estraneo può sopraffare il segnale dal campione invisibilmente piccolo della fibrilla. La pellicola ultrasottile del carbonio - graphene - ha risolto questo problema per permettere che i reticoli estremamente sensibili siano registrati. Ciò traccia un punto importante verso lo studio delle molecole diverse facendo uso dei laser a raggi x, uno scopo che i biologi strutturali lungamente stanno perseguendo. Gli scienziati presentano la loro nuova tecnica nelle comunicazioni della natura del giornale.

Gli amiloidi sono fili lunghi e ordinati delle proteine che consistono di migliaia di sottounità identici. Mentre gli amiloidi sono creduti per svolgere un ruolo principale nello sviluppo delle malattie neurodegenerative, i moduli recentemente sempre più funzionali dell'amiloide sono stati identificati. ““L'endorfina dell'ormone ottimistico„, per esempio, può formare le fibrille dell'amiloide nell'ipofisi. Si dissolvono nelle diverse molecole quando l'acidità dei loro dintorni cambia, dopo di che queste molecole possono compiere il loro scopo nell'organismo,„ spiega il Carolin Seuring, uno scienziato al centro per scienza del laser a elettroni liberi (CFEL) e l'autore principale di DESY del documento. “Altre proteine dell'amiloide, come quelle trovate in cervelli post mortem dei pazienti che soffrono da Alzheimer, si accumulano come fibrille dell'amiloide nel cervello e non possono essere ripartite e quindi per alterare la funzione del cervello a lungo termine.„

Gli scienziati stanno provando a determinare esattamente la struttura spaziale degli amiloidi come possibile, in modo da usare questi informazioni per scoprire più circa come le fibrille della proteina funzionano: “Il nostro scopo è di capire il ruolo della formazione e struttura delle fibrille dell'amiloide nell'organismo e nello sviluppo delle malattie neurodegenerative,„ dice Seuring nella descrizione della motivazione del gruppo. “L'analisi strutturale degli amiloidi è complessa ed esaminarli facendo uso dei metodi attuali sono ostacolati tramite le differenze fra le fibrille all'interno di singolo campione.„ Il gruppo ha utilizzato il laser a elettroni liberi LCLS dei raggi x al centro nazionale dell'acceleratore di SLAC negli Stati Uniti.

Un problema è che i fili degli amiloidi, conosciuti come le fibrille, non possono svilupparsi come cristalli, che è il metodo usuale di svolgimento degli studi strutturali di risoluzione atomica facendo uso dei raggi x. Le diverse fibrille dell'amiloide sono densamente soltanto alcuni nanometri e quindi generalmente troppo piccolo produrre un segnale misurabile una volta esposte ai raggi x. Per questo motivo, l'approccio usuale è di allineare milioni di queste fibrille parallele ed impacchettante li in modo che i loro segnali aggiungano. Tuttavia, questo significa che i reticoli di diffrazione sono prodotti dall'intero insieme e le informazioni sulle differenze strutturali fra le diverse fibrille sono perse. “Una maggior parte di nostra comprensione circa le fibrille dell'amiloide è derivata da a risonanza magnetica nucleare (NMR) ed i dati di microscopia dell'cryo-elettrone,„ spiegano Seuring. “Quando state lavorando con i campioni che sono eterogenei quanto gli amiloidi, sebbene ed anche quando osservando la dinamica di formazione della fibrilla, i metodi attuali raggiungano i loro limiti.„

Per accedere per strutturare le informazioni di tali campioni eterogenei in futuro, il gruppo ha optato per un nuovo approccio sperimentale. Invece di sospensione degli amiloidi diversi in un liquido di portafili gli scienziati lo hanno collocato sui portafili solidi ultrasottili fatti di graphene, in cui gli atomi di carbonio sono sistemati in un reticolo esagonale piuttosto come un favo atomico. “Questo supporto del campione ha un doppio vantaggio,„ dice il professor Henry Chapman di CFEL, che è uno scienziato del cavo a DESY. “Per una cosa, graphene è appena un a un solo strato degli atomi sottili e contrariamente alle foglie resistenti di un liquido di portafili una traccia nel reticolo di diffrazione. Per un'altra cosa, la sua struttura regolare si assicura le fibrille tutte della proteina per allineare nella stessa direzione - almeno nei più grandi domini.„ I reticoli di diffrazione delle fibrille multiple sovrappongono e rinforzano uno un altro, tanto come dentro un cristallo, ma non c'è virtualmente scattering perturbatore di sfondo come nel caso di un liquido di portafili. Questo metodo permette che i reticoli di diffrazione siano ottenuti da più poco di 50 fibrille dell'amiloide, di modo che le differenze strutturali emergono più chiaro. “Abbiamo osservato le asimmetrie caratteristiche nei nostri dati che suggeriscono che la nostra tecnica potrebbe anche essere usata per determinare la struttura di diverse fibrille,„ dicono Seuring.

“Lo strumento CXI a LCLS ha fornito particolarmente un luminoso, raggio di nanofocus che ha permesso che noi estraessimo i dati da tali un piccolo numero di fibre,„ riferisce il co-author Mengning Liang, uno scienziato a SLAC. “Le fibrille sono una terza categoria di campioni che possono essere studiati questo modo con i laser a raggi x, oltre alle singoli particelle e cristalli. In alcuni riguardi, fibrille misura fra gli altri due: hanno variazioni regolari e di ricorsi in struttura come i cristalli, ma senza il sistema cristallino rigido.„

Gli scienziati hanno verificato il loro metodo sui campioni del virus del mosaico del tabacco, anche in primo luogo esaminati da Rosalind Franklin e che forma i filamenti di una struttura che ora è conosciuta nei minimi particolari. La prova in effetti ha fornito i dati strutturali circa il virus un'accuratezza di 0,27 nanometri (millionths di un millimetro) - corrispondendo ad una risoluzione quasi sul disgaggio di singolo atomo. L'esame di fibrille distintamente più piccole dell'amiloide effettuate delle fibrille dell'amiloide come pure dell'endorfina effettuate del bombesin dell'ormone, che è compreso tra l'altro in determinati tipi di cancri, egualmente ha fornito le certe informazioni strutturali, un'accuratezza di 0,24 nanometri. Sebbene i dati siano insufficienti per la calcolazione della struttura completa, lo studio mostra la grande promessa per recupero strutturale quando più dati diventano disponibili ed apre un nuovo percorso per l'analisi strutturale degli amiloidi facendo uso dei laser a raggi x. “È stupefacente che stiamo effettuando gli esperimenti molto simili come Franklin ha fatto, ma ora stiamo raggiungendo il livello di singole molecole,„ dice Chapman.