De ziekte van Alzheimer is het gevolg van een disfunctionele stapeling van eiwitmoleculen die lange vezels vormen in hersencellen. Soortgelijke stapeling komt voor bij sikkelcelanemie en gekkekoeienziekte.

Wetenschappers weten dat deze geordende vezels ontstaan ​​uit een grote verscheidenheid aan moleculen, maar zou er een gemeenschappelijke reden kunnen zijn dat ze ontstaan?

Bij nieuw onderzoek natuurkundigen van de Universiteit van Chicago en de Université Paris-Saclay suggereren dat dergelijke eiwitvezels een manifestatie zijn van een algemeen natuurkundig principe. En dat principe biedt de mogelijkheid van nieuwe medicijnen en hulpmiddelen om gewenste eiwitstructuren te manipuleren. De bevindingen werden eerder deze maand gepubliceerd in Natuurfysica .

"We hebben sterk bewijs dat er een principe is dat bepaalt hoe dingen aggregeren die zowel kunnen worden gebruikt om ziekte te begrijpen en te wijzigen als om dingen zelf samen te stellen op een manier die we dicteren, " zei co-auteur Thomas Witten, de Homer J. Livingston emeritus hoogleraar natuurkunde aan UChicago.

Eiwitten aggregeren de hele tijd. Maar meestal maken ze amorfe klodders die lijken op die in eierdruppelsoep. "We proberen erachter te komen waardoor sommige moleculen samenkomen om een ​​vezel te vormen in plaats van een glop, ' zei Witten.

De eiwitten die vezels vormen zijn identiek maar onregelmatig; ze passen niet netjes in elkaar. Witten en zijn medewerker Martin Lenz, een onderzoeker aan de Université Paris-Saclay, vroeg zich af of die onregelmatigheid een sleutel zou kunnen zijn tot vezelvorming. Computers gebruiken, Lenz, hoofdauteur van de studie, bedacht een wiskundig model om te simuleren hoe identieke maar slecht passende objecten zouden samenklonteren. Hij gebruikte vijfhoeken en andere eenvoudige veelhoeken om de onregelmatige, vezelvormende eiwitten.

"We hadden geen laboratorium en reageerbuisjes. We hadden alleen deze kleine vormen, ' zei Witten.

De onderzoekers lieten de interactie van de polygonen afhangen van slechts twee attributen zonder enige andere kenmerken van echte moleculen op te nemen. Zoals in een echte vezel, alle subeenheden zijn identiek en onregelmatig. Ze zijn ook wat Witten 'plakkerig' noemt:ze trekken elkaar aan, maar ze voelen de aantrekkingskracht pas als ze elkaar aanraken. Ze "willen" aanraken, en ze krijgen energie als ze dat doen. Maar omdat de vormen niet netjes in elkaar passen, "hun oppervlakken kunnen de plakkerigheid niet aanraken en voelen en die energie krijgen, tenzij ze vervormen, ' zei Witten.

Hun neiging is om zichzelf zoveel mogelijk uit te rekken om de hoeveelheid van hun oppervlak dat in contact is te maximaliseren. "Maar vervorming kost ze energie, "Zei Witten. "Ze moeten krachten uitoefenen om de oppervlakken bij elkaar te krijgen. Er is dus concurrentie tussen de energie die wordt gewonnen door te plakken en de energiekosten van vervorming."

De simulaties van Lenz belichaamden die concurrentie. De vormen kunnen zich langs elk oppervlak hechten. De wetenschappers varieerden de mate van plakkerigheid ten opzichte van de energiekosten van vervorming voor elke vorm en keken naar de verschillende structuren die zich over het bereik van waarden vormden. De resultaten waren opvallend:welke vorm ze ook gebruikten, toen plakkerigheid en de energiekosten van vervorming min of meer gelijk waren, ze kregen elke keer vezels.

Er was een extra functie nodig om de vezels te vormen. De groei moest onomkeerbaar zijn en elk oppervlak dat plakt, moet vast blijven zitten. Zonder deze onomkeerbare eigenschap, vaak gezien in echte moleculen, de lange vezels zouden uiteindelijk tot ronde klodders smelten.

Het onderzoek wijkt af van de aanpak van wetenschappers die de ziektes van eiwitvezels bestuderen. "Ze hebben veel werk verricht aan de bijzonderheden van de betrokken moleculen, en er zijn sterke ideeën over hoe die bijzonderheden ervoor zorgen dat de vezels worden gevormd, ' zei Lenz.

"We zeggen, 'Je hebt geen specifiek molecuul nodig:het is een algemeen principe.' Daar zijn ze sceptisch over, maar ondanks hun scepsis, ze erkennen dat ons idee een hoorzitting verdient, ' zei Witten.

Tot dusver, Lenz en Witten hebben slechts een klein aantal vormen in twee dimensies geprobeerd. Ze zijn van plan om te zien of het principe geldt voor willekeurige vormen, in drie dimensies, en abstraheer de essentie van wat er in de simulaties gebeurt.

"We willen een theorie hebben die dingen voorspelt die we vervolgens op de computer kunnen verifiëren, een theorie die geen specifieke kenmerken van een bepaalde deeltjesvorm gebruikt, maar alleen de plakkerigheid en de vervorming gebruikt, "zei Witten. "Misschien kunnen we de gekkekoeien- en de sikkelcelvezels voorkomen, als we dit principe begrijpen. En we zouden het principe moeten kunnen gebruiken om vezels te maken wanneer ze nuttig zijn. Zet gewoon de juiste plakkerigheid in, zet de juiste vervorming, pas alles aan en krijg de vezels die we willen."