Knutselen met een methode die ze de afgelopen jaren hebben helpen ontwikkelen, wetenschappers hebben voor het eerst op nanometerschaal de karakteristieke plooipatronen gemeten die eiwitten hun driedimensionale vorm in water geven. Ontwikkeld door onderzoekers van het National Institute of Standards and Technology (NIST) en hun collega's, deze techniek zal wetenschappers helpen inzicht te krijgen in het gedrag van biomoleculen in waterige omgevingen die vergelijkbaar zijn met die in cellen. Deze inzichten, beurtelings, ons begrip van belangrijke ziekten zou kunnen vergroten, waaronder de ziekte van Alzheimer, die verband houden met "fouten" bij het vouwen van eiwitten.

Het leven zoals we dat kennen, zou niet kunnen overleven als eiwitten zich niet zouden vouwen in precieze patronen die leiden tot helices, vellen en andere vormen die eiwitten hun driedimensionale structuur geven. Door de precieze vormen van eiwitten kunnen ze zuurstof vervoeren, schadelijke bacteriën afweren en andere essentiële taken in het lichaam uitvoeren. Eiwitten die niet goed vouwen, kunnen niet functioneren en genereren soms toxische fragmenten, zoals die geassocieerd met neurodegeneratieve aandoeningen.

Om de fijne kneepjes van het vouwen te begrijpen, wetenschappers moeten de gedetailleerde rangschikking bestuderen van ketens van aminozuren die korter en eenvoudiger zijn dan eiwitten - peptiden genaamd - en hoe ze vouwen, monteren en roteren om een ​​verscheidenheid aan vormen te creëren, of conformaties. Biologen onderzoeken bij voorkeur eiwitten en peptiden die in water zijn ondergedompeld, omdat die omgeving de omstandigheden in levende cellen nauw benadert.

Eerder gevestigde technieken voor het bepalen van de conformatie van eiwitten, zoals infraroodspectroscopie, missen de fijne ruimtelijke resolutie om de kleine en diverse samenstellingen van goed gevouwen en verkeerd gevouwen eiwitten te bestuderen. In aanvulling, deze technieken werken niet goed in een waterige omgeving omdat water infrarood licht sterk absorbeert, de analyse verwarren. Water vormde ook een grote uitdaging voor een baanbrekende techniek, bekend als fotothermisch geïnduceerde resonantie (PTIR), dat onlangs onderzoekers in staat stelde om de peptidestructuur en conformatie in de lucht te onderzoeken met een resolutie op nanoschaal.

NIST-onderzoekers en hun collega's hebben nu aangetoond dat PTIR kan worden aangepast om een ​​conformationele structuur op nanoschaal in water te verkrijgen met behulp van twee chemisch vergelijkbare peptiden die bekend staan ​​als difenylalanine en Boc-difenylalanine. Difenylalanine is verwant aan bèta-amyloïde, een kleverige, grotere peptide gekoppeld aan de ziekte van Alzheimer.

"PTIR is een krachtige techniek die al veelbelovend was voor de studie van biologische systemen, maar de mogelijkheid om dit te gebruiken met monsters in een vloeibare omgeving zal het gebruik op dit gebied aanzienlijk verbeteren, " zei Georg Ramer van NIST en de Universiteit van Maryland in College Park. Ramer en NIST-onderzoeker Andrea Centrone, samen met hun collega's aan de Universiteit van Cambridge in Engeland, beschreven hun werk in een artikel dat onlangs online is geplaatst op ACS Nano .

PTIR bepaalt de chemische samenstelling van materialen met een resolutie op nanoschaal door een atoomkrachtmicroscoop (AFM) te combineren met licht van een infraroodlaser die over een reeks golflengten werkt. De karakteristieke golflengten van infrarood licht die door het monster worden geabsorbeerd, lijken op een moleculaire vingerafdruk, de chemische samenstelling ervan onthullen. Op elke plaats op het monster waar infrarood wordt geabsorbeerd, het materiaal warmt op, waardoor het snel, maar toch een beetje, uitbreiden. De uitbreiding wordt gedetecteerd, met de scherpe punt van de AFM die uit een cantilever steekt, die oscilleert als een duikplank elke keer dat het monster uitzet. Hoe meer licht er door het monster wordt geabsorbeerd, hoe groter de expansie en hoe groter de sterkte, of amplitude, van de oscillaties.

Zo goed als PTIR is, het gebruik van de methode in een wateromgeving is problematisch. Water absorbeert infrarood licht sterk, het produceren van een absorptiesignaal dat kan interfereren met pogingen om de chemische structuur van het monster te onderscheiden. In aanvulling, de door water uitgeoefende weerstandskracht is veel sterker dan in lucht en verzwakt doorgaans het PTIR-signaal, omdat het de trillingen van de cantilever van de AFM sterk dempt.

Om de absorptie van infrarood licht door water te beperken, het team plaatste een prisma tussen de laser en het monster. Het prisma diende om het infraroodlicht te beperken tot het oppervlak van het monster, het minimaliseren van de hoeveelheid die zou kunnen weglekken en in wisselwerking staan ​​met het water. Om het dempingsprobleem aan te pakken, het team gebruikte een laser die kon werken op frequenties tot 2, 000 kilohertz. Dat stelde de onderzoekers in staat om de frequentie van de laserpulsen af ​​te stemmen op een van de hogere frequenties waarop de cantilever oscilleert. Zoals een kind op een schommel met precies de juiste interval duwen, de frequentieaanpassing verbeterde de amplitude van de oscillaties van de cantilever, gedeeltelijk compenseren van de demping door water.

Om de nauwkeurigheid van hun methode aan te tonen, het team vergeleek PTIR-metingen van difenylalanine en andere peptidemonsters in twee omgevingen:water en lucht. (De peptiden vouwden op dezelfde manier in beide media, waardoor het gemakkelijker is om de vergelijking uit te voeren.) Opmerkelijk is dat de wetenschappers bereikten vergelijkbare ruimtelijke resolutie en contrast in water en lucht, voor het eerst aantonen dat metingen in een wateromgeving nauwkeurig kunnen worden uitgevoerd, het onthullen van de precieze conformatie van peptiden met resolutie op nanoschaal.

"Deze bevinding is belangrijk voor biologen die de eiwitstructuur en vouwing willen begrijpen in omgevingen die zo dicht mogelijk bij die in cellen liggen, ’ zei Centrone.