Amyloïden verwijzen naar abnormale vezelige extracellulaire en eiwitachtige afzettingen in organen en weefsels die onoplosbare constructies vormen die resistent zijn tegen afbraak. Hun vorming kan gepaard gaan met ziekte, waarbij elke ziekte wordt gekenmerkt door een specifiek eiwit- of peptideaggregaat. De nanomechanische eigenschappen van amyloïde fibrillen en nanokristallen zijn afhankelijk van hun secundaire en quaternaire structuur en intermoleculaire geometrie. Wetenschappers hebben geavanceerde beeldvormingsmethoden gebruikt, waaronder atomaire krachtmicroscopie (AFM) om de morfologische en mechanische heterogeniteit van amyloïden te ontrafelen, hoewel het moeilijk is om een ​​volledig begrip te krijgen op basis van conventionele spectroscopische methoden.

In een recent rapport dat nu is gepubliceerd op Geavanceerde wetenschap , Jozef Adamcik en een internationaal team van onderzoekers aan de ETH Zürich, de Universiteit van Cambridge, de Universiteit van Luxemburg en de Universiteit van Shanghai, gedemonstreerde gecombineerde nanospectroscopiemethoden met één molecuul. Ze combineerden de technieken met atomaire modellering om de structurele overgang van amyloïde fibrillen naar amyloïde microkristallen op basis van hexapeptiden op nanoschaal te begrijpen. Ze schreven de oorsprong van verstijving toe aan een verhoogd gehalte aan intermoleculaire β-sheetstructuren. De verhoogde stijfheid in Young's moduli correleerde met verhoogde dichtheid van intermoleculaire waterstofbinding en parallelle β-sheetstructuren om de kristallen energetisch te stabiliseren.

Amyloïden in materiaalkunde

Amyloïden zijn sterk geordende structuren die voortkomen uit eiwitten of peptiden en geassocieerd zijn met een reeks ziekten, waaronder talrijke neurodegeneratieve aandoeningen zoals de ziekte van Alzheimer, Parkinson, Ziekten van Creutzfeldt-Jakob, en boviene spongiforme encefalopathieën. Het begrijpen van hun biofysische eigenschappen kan veel nieuwe informatie opleveren om hun vorming te remmen. In de materiaalkunde, echter, het vermogen van een groot aantal peptiden en eiwitten om zichzelf te assembleren tot amyloïde structuren opent een methode om ze te gebruiken om nieuwe nanomaterialen te ontwikkelen voor biomedische en nanotechnologische toepassingen. Als resultaat, materiaalwetenschappers willen graag gedetailleerde kennis verkrijgen van de structuur en morfologie van amyloïden in een bredere context voor toepassingen in de geneeskunde tot nanotechnologie. In dit werk, Adamcik et al. onderzocht het polymorfisme van de hexapeptide-modelsystemen en gebruikte de mogelijkheden van één molecuul van peakforce kwantitatieve nanomechanische mapping atomaire krachtmicroscopie (PF-QNM-AFM) voor de analyse. De methode combineerde AFM (atoomkrachtmicroscopie) en infraroodtechnieken met atomaire modellering om de nanomechanische, chemische en structurele eigenschappen van de fibril en zijn kristalvormen op de schaal van een enkel aggregaat.

Piekkracht kwantitatieve nanomechanische mapping atomaire krachtmicroscopie (PF-QNM-AFM)

Het team analyseerde eerst ILQINS-hexapeptiden (een amyloïdevormend segment) afzonderlijk om het verschil in nanomechanische en structurele eigenschappen te begrijpen. Ze extraheren de Young's moduli van ongeveer 30 verschillende fibrillen met waarden (2-3 GPa) die typisch zijn voor amyloïde fibrillen. Vervolgens observeerden ze een ander hexapeptide IFQINS - een ander amyloïdvormend segment, om het naast elkaar bestaan ​​van fibrillen met een structuur van rechtshandige spiraalvormige linten te tonen, rechtshandige en linkshandige gedraaide linten, tussenkristallen en kristallen. Op dit moment, de moduli van de Young waren anders, en stelden de onderzoekers in staat om elke structurele morfologie te onderscheiden. Bijvoorbeeld, de in rood weergegeven fibrillen hadden Young's moduli in het bereik van 2-3 GPa, net als fibrillen die zelf zijn samengesteld uit ILQINS. Voor kristallen afgebeeld in blauw, de moduli lagen in het bereik van 5-6 GPa, terwijl tussenliggende kristallen die in het groen worden gezien, over 2-5 GPa waren verspreid. Aanvullend, de TFQINS-amyloïdestructuren die met een klein aantal gedraaide linten zelf zijn geassembleerd tot microkristallen, met vergelijkbare trends als IFQINS-hexapeptiden. Het team verkreeg ook een gedetailleerde analyse van de Young's moduli van een fibril-naar-kristalovergang van TFQINS.

Infrarood nanospectroscopie (AFM‐IR)

Adamcik et al. vervolgens infrarood (IR) spectroscopie toegepast om de correlatie tussen nanomechanische eigenschappen en de chemische secundaire structuurheterogeniteit van enkele fibrillen en kristallen beter te begrijpen. Ze selecteerden de IFQINS-peptiden voor de experimenten met de AFM-IR-tool vanwege de heterogeniteit ervan. De wetenschappers observeerden morfologiekaarten met behulp van de techniek om het naast elkaar bestaan ​​van gedraaide fibrillen en kristallen op nanoschaal te laten zien. Het AFM-IR-systeem maakte de spectroscopische resolutie mogelijk van de amidebanden die doorgaans bekend staan ​​als vingerafdrukken van eiwitten of peptiden. De wetenschappers onderzochten de subtiele structurele veranderingen tijdens de overgang van het fibrillaire naar het intermediaire kristal naar de kristaltoestand, om een ​​netto toename van intermoleculaire parallelle β-sheet inhoud en een lichte toename van antiparallelle β-sheet conformatie aan te geven. Het team schreef de uitkomst toe aan de verhoogde Young's modulus van de fibril naar de kristaltoestanden, waar de IR-spectroscopiemethode en AFM-inspringing een samenvatting gaven van de organisatie op atomaire schaal.

Atoomsimulaties

De onderzoekers voerden vervolgens atomistische simulaties uit van het indentatieproces om de veranderingen in amyloïde materiaaleigenschappen verder te onderzoeken na het verkrijgen van de kristalachtige orde. Ze gebruikten ILQINS-peptiden voor deze simulaties om versies van dikke en dunne amyloïde modellen te begrijpen. De dunne structuur had een minder compacte ruggengraat in vergelijking met de dikke structuur. De Young's moduli van kristallen overtroffen die van gedraaide amyloïden met 3,6 GPa om aan te tonen dat de ordening van kristallen groter is dan fibrillen, net als met experimentele inspringen. Bij elkaar genomen, de resultaten toonden aan dat fibril-naar-kristalovergang in amyloïde geassocieerd was met verhoogde intermoleculaire β-sheet en waterstofbinding, wat resulteerde in de verschuiving van de amide I-band naar lagere trillingsfrequenties. Door deze verschuiving kon de kristalstructuur stabiel worden op basis van vibrationele entropie en lange-afstandsvolgorde van H-bindingen. Het werk leverde een duidelijk proces op van fibril-naar-kristalovergangen om uitzonderlijk stabiele amyloïde-achtige kristallen te vormen.

Outlook

Op deze manier, Jozef Adamcik en collega's combineerden beeldvorming met enkelvoudige atoomkrachtmicroscopie, nano-indentatie en chemische spectroscopie op nanoschaal met atomaire modellering om de nanomechanische en vibrationele eigenschappen van amyloïde polymorfen te begrijpen. Ze observeerden de overgang van fibrillen naar microkristallen en onderzochten een reeks hexapeptidefragmenten (waaronder ILQINS, IFQINS, en TFQINS). De amyloïde fibrillen en microkristallen vertoonden verschillende Young's moduli, waar de amyloïde kristallen grotere waarden hadden vanwege de hogere dichtheid en volgorde van intermoleculaire β-sheets in de microkristal-architecturen. Het werk leverde een ongekende kaart op van de atomistische, mesoscopisch, en vibratie-eigenschappen van het amyloïde aggregaat om de moleculaire oorsprong van de thermodynamisch stabiele amyloïde kristallen uit te werken voor toepassingen in de materiaalwetenschap tot nanogeneeskunde.

© 2020 Wetenschap X Netwerk