Wereldwijd lijden meer dan 24 miljoen mensen aan neurodegeneratieve ziekten zoals de ziekte van Alzheimer, Parkinson of Huntington. De moleculaire oorzaken van deze ziekten zijn tot nu toe weinig onderzocht. Een team van wetenschappers van de Universiteit van Leipzig en de Technische Universiteit van Dresden, evenals het Kurt Schwabe Instituut Meinsberg, onderzoekt nu deze moleculaire mechanismen met nieuwe benaderingen, en heeft een techniek ontwikkeld met een thermische molecuulval. De onderzoekers hebben hun bevindingen gepubliceerd in Natuurmethoden .

Onderzoekers nemen aan dat de oorzaak van deze neurodegeneratieve ziekten de aggregatie is van kleine eiwitmoleculen die peptiden worden genoemd. Peptiden voeren meestal verschillende taken uit in het lichaam met hun speciale driedimensionale structuur. Bijvoorbeeld, ze werken als hormonen, ze zijn betrokken bij het transport van stoffen door het celmembraan, en hebben antibiotische en antivirale functies. Echter, wanneer peptiden samenkomen om kleine aggregaten of zelfs grotere onoplosbare structuren te vormen die plaques of amyloïden worden genoemd, hun oorspronkelijke functie gaat verloren, en peptideaggregaten kunnen toxisch zijn.

De manier waarop individuele peptiden kleinere aggregaten en uiteindelijk fibrillen worden, is niet duidelijk en experimenteel moeilijk waar te nemen. Zelfs de groei van fibrillen is niet voldoende opgelost, aangezien bijna alle eerdere onderzoeken alleen zijn uitgevoerd voor grote hoeveelheden moleculen bestaande uit een mengsel van peptiden, aggregaten en fibrillen van verschillende groottes.

De onderzoekers hebben nieuwe verklarende benaderingen bedacht:"Bij het onderzoeken van mengsels van afzonderlijke moleculen, aggregaten en fibrillen voor hun eigenschappen, men krijgt een beeld van veel overlappende effecten. Een belangrijke stap naar een gedetailleerd begrip op moleculair niveau is het bestuderen van de groei van individuele amyloïde fibrillen, " legt Prof. Dr. Frank Cichos uit, hoofd van het project aan de Universiteit van Leipzig.

Met behulp van hun nieuw ontwikkelde thermische val, de onderzoekers vingen individuele fibrillen enkele uren op in fysiologische oplossingen onder de microscoop en voor de eerste keer, observeerde de groei van de fibril, het uiteenvallen en de verdere groei van de fragmenten. "Het ontwikkelen van een techniek voor dit doel was een lastige taak. Moleculen in vloeistoffen bewegen gestaag door de temperatuur van de vloeistof. Deze zogenaamde Brownse beweging drijft ze snel uit ons waarnemingsveld, en we kunnen individuele fibrillen slechts voor een zeer korte tijd waarnemen, " zegt Martin Fränzl, een promovendus in het project.

De onderzoekers maken nu gebruik van de thermische energie die ervoor zorgt dat de Brownse beweging de fibrillen in een klein volume opsluit. "We gebruiken een laser om een ​​kleine metalen ring op te warmen waarbinnen de aggregaten zijn opgesloten. De resulterende temperatuurverschillen in de oplossing met de peptiden drijven ze in elke richting die we specificeren, " legt Tobias Thalheim uit, die met Martin Fränzl aan de thermische vallen werkte. Maar het vangen van de amyloïden is niet genoeg. De temperatuurgecontroleerde val stelt de wetenschappers ook in staat om de beweging van de fibrillen te volgen en wiskundig te analyseren. Met behulp van de roterende beweging van de fibrillen, ze observeerden de verandering in grootte van de fibrillen tot op een miljoenste centimeter, en zo nauwkeurig hun groeisnelheid bepaald.

"We kunnen nu processen zien die eerder werden aangenomen, maar waarvoor geen direct experimenteel bewijs was, " legt Cichos uit. Voor de groei van de fibrillen, hun breuk zou een belangrijke rol moeten spelen, omdat het het aantal vrije uiteinden verdubbelt waar de groei doorgaat. De experimenten tonen aan dat fibrillen breken en zo nieuwe spruiten vormen, waardoor de peptiden sneller aggregeren. "Er is nu een veelvoud aan nieuwe experimenten mogelijk, en we kunnen paden volgen die voorheen niet mogelijk waren, ' zegt Cichos.

Prof. Dr. Michael Mertig van de Technische Universiteit van Dresden, directeur van het Kurt Schwabe Institute for Measurement and Sensor Technology e.V. Meinsberg, voegt toe, "Tegelijkertijd, dit werk toont het enorme potentieel in de ontwikkeling van geminiaturiseerde fotonische analysesystemen voor medische diagnostiek."