Of het nu gaat om de vorming van wolken of champagnebellen, of het vroege begin van de ziekte van Alzheimer of diabetes type 2, er is een gemeenschappelijk mechanisme aan het werk:kiemvormingsprocessen.

Nucleatieprocessen zijn een eerste stap in de structurele herschikking die betrokken is bij de faseovergang van materie:een vloeistof die verandert in een gas, een gas dat vloeibaar wordt enzovoort. wolken, kokend water, bubbels, en sommige ziektestadia worden allemaal gekenmerkt door de vorming van een nieuwe thermodynamische fase waarvoor enkele van de kleinste eenheden van de nieuwe structuur nodig zijn voordat deze nieuwe fase kan groeien. Het begrijpen van dit proces is van cruciaal belang voor het voorkomen, het stoppen of behandelen van gevallen van nucleatieprocessen die verkeerd zijn gegaan, zoals bij ziekten bij de mens. Nutsvoorzieningen, een team van onderzoekers van University College London en de University of Cambridge in Groot-Brittannië heeft in samenwerking met Harvard University vooruitgang geboekt bij het begrijpen van dit probleem vanuit moleculair oogpunt in een nieuwe studie. Hun bevinding is significant in een reeks van fenomenen, van ziekte bij de mens tot nanotechnologie.

"Misschien is een intuïtief voorbeeld van nucleatie de manier waarop een rustig etentje plotseling verandert in een dansend feest; voor zo'n overgang moeten meestal meerdere mensen tegelijk beginnen te dansen, fungeren als een 'kern' waarrond het dansfeest zich verzamelt, " legde Anđela Šarić uit, hoofdcoauteur aan het University College London en de University of Cambridge. De resultaten van dit onderzoek verschijnen deze week in The Tijdschrift voor Chemische Fysica .

"Zoals algemeen wordt opgemerkt, als deze groep dansers te klein is, het wordt meestal genegeerd; echter, boven een bepaalde maat, deze dansende kern trekt steeds meer mensen aan, uiteindelijk domineert de kamer, " voegt Thomas Michaels toe, de andere hoofdauteur. Dit minimale aantal dansende mensen dat nodig is om het feest te transformeren, is wat in thermodynamische termen algemeen bekend staat als de 'kritische kern'.

In hun onderzoek hebben het team beschouwt een bijzonder intrigerend voorbeeld van een genucleëerd proces:de vorming van eiwitfilamenten. Veel filamenteuze structuren van eiwitten zoals actine en tubuline zijn essentieel voor de groei, structurele vorming, beweging en deling van cellen. Ze zijn een essentieel kenmerk van levende systemen. Echter, eiwitfilamenten kunnen ook ziekteverwekkend zijn:meer dan 50 veelvoorkomende aandoeningen, waaronder de ziekte van Alzheimer, Ziekte van Parkinson, en diabetes type 2, worden geassocieerd met de vorming en afzetting in de hersenen of andere organen van eiwitfilamenten die algemeen bekend staan ​​als amyloïden.

Met behulp van een combinatie van theorie en computersimulaties onderzochten de auteurs de nucleatie van eiwitfilamenten. Hun doel was om de fundamentele fysieke principes erachter vast te stellen. Hun resultaten toonden aan dat een schijnbaar gecompliceerd proces van fibrilkiemvorming in feite wordt bestuurd door een relatief eenvoudig fysiek mechanisme:aanvankelijk worden ongeorganiseerde clusters van eiwitten - zogenaamde oligomeren - gevormd.

Deze structuren lijken nog niet op eiwitfilamenten, maar moeten een structurele conversie ondergaan voordat ze kunnen uitgroeien tot volwassen filamenten, Šarić uitgelegd. Ze ontdekten dat onder veel verschillende stappen in fibrilkiemvorming, de vormverandering binnen oligomeren is de snelheidsbepalende stap. Daarom, conformationele veranderingen in het eiwit in oligomeren (leidend tot de vorming van β-sheetconfiguraties) zijn cruciaal om fibrilkiemvorming te begrijpen. Eerder, de grootte van de kritische kern werd beschouwd als de snelheidsbepalende factor.

De studie is een belangrijke stap voorwaarts in het mechanistische begrip van de manier waarop eiwitfilamenten worden gevormd. Een dergelijk begrip is essentieel voor het bestuderen van de vroege stadia van het ontstaan ​​van ziekten die verband houden met eiwitaggregatie, omdat steeds meer wordt aangenomen dat oligomeren de belangrijkste oorzaak zijn van cellulaire toxiciteit.

"Begrijpen welke stappen op microscopisch niveau bepalend zijn voor de vorming van eiwitfibrillen, kan onschatbare informatie opleveren voor het ontwerpen van rationele therapieën die gericht zijn op het onderdrukken van pathogene oligomeergeneratie, " Šarić legde uit

Bovendien, vanwege hun unieke fysisch-chemische eigenschappen, eiwitfilamenten vinden uitgebreide toepassingen in de materiaalkunde als biomaterialen voor nanotechnologie, " zei Michaels. "Een betere beheersing van filamenteuze groei zou de productie van nieuwe functionele materialen ten goede komen die uitgebreide toepassingen hebben in de materiaalwetenschap als biomaterialen voor nanotechnologie."