Un equipo de investigadores de Alemania y los Países Bajos ha determinado la estructura de una fibrilla de amiloide con una resolución no alcanzada anteriormente. Las fibrillas de la proteína beta amiloide (Aβ) del propio cuerpo son el componente principal de los depósitos de proteínas cerebrales asociados con la enfermedad de Alzheimer. La estructura tridimensional a nivel atómico aclarada por los científicos revela aspectos previamente desconocidos del crecimiento de depósitos dañinos y el efecto de factores de riesgo genéticos. Los resultados han sido publicados en la reconocida revista Ciencias .

La estructura revela cómo las muchas moléculas de proteína Aβ individuales se escalonan en capas una encima de la otra y se organizan en los llamados protofilamentos. Dos de estos protofilamentos se combinan entre sí para formar una fibrilla. Si varias de estas fibrillas se enredan, dan lugar a los depósitos o placas característicos que se detectan en los tejidos cerebrales de los pacientes con Alzheimer.

"Este es un hito en el camino hacia una comprensión fundamental de las estructuras amiloides y las enfermedades relacionadas, ", dice el profesor Dieter Willbold." La estructura de las fibrillas responde a muchas preguntas sobre el mecanismo de crecimiento de las fibrillas e identifica el papel que desempeñan toda una serie de mutaciones familiares que conducen a la aparición temprana de la enfermedad de Alzheimer ".

La resolución de 4 angstroms, correspondiente a 0,4 nanómetros, está dentro de la magnitud típica de los radios atómicos y las longitudes de los enlaces atómicos. A diferencia del trabajo anterior, el modelo muestra por primera vez la posición exacta y las interacciones de las proteínas. Por tanto, las moléculas de Aβ de los protofilamentos entrelazados no están al mismo nivel, pero como una cremallera, están escalonados por medio intervalo. Es más, la estructura aclara la ubicación y conformación de los 42 residuos de aminoácidos de las muchas moléculas de proteína Aβ individuales por primera vez.

Esta estructura detallada proporciona una nueva base para comprender el efecto estructural de una serie de modificaciones genéticas que aumentan el riesgo de desarrollar la enfermedad. Estabilizan las fibrillas cambiando el patrón de la proteína en ubicaciones definidas. Esto también explica por qué en la naturaleza los ratones no desarrollan Alzheimer, y por qué una pequeña parte de la población islandesa parece ser más o menos resistente a la enfermedad. Sus variantes de Aβ se diferencian por tres o un residuo de aminoácido, respectivamente, que son aparentemente importantes para la estabilidad de las fibrillas.

Diversidad metodológica al más alto nivel tecnológico

En contraste con las placas típicas de la enfermedad descubierta por Alois Alzheimer hace más de 100 años, la estructura fibrilar ahora descubierta no se puede observar directamente con el microscopio óptico. Tomó más de un año analizar los datos que los científicos habían obtenido utilizando la instalación de microscopía crioelectrónica de la Universidad de Maastricht. Es más, Las mediciones realizadas mediante espectroscopía de resonancia magnética nuclear de estado sólido (RMN) y experimentos de difracción de rayos X ayudaron a complementar y respaldar completamente la imagen de la estructura de las fibrillas y validar los datos obtenidos.

"Las imágenes individuales en microscopía crioelectrónica suelen ser extremadamente ruidosas, ya que las proteínas son muy sensibles a la radiación de electrones y las imágenes solo se pueden generar con una intensidad de radiación muy baja, "explica Jun.-Prof. Gunnar Schröder. Usando un procedimiento asistido por computadora, combinó miles de imágenes individuales y, por lo tanto, extrajo datos estructurales de alta resolución de ellas.

"Este es un paso que puede resultar muy complicado si la muestra consta de fibrillas formadas de manera diferente. En el pasado, este fue casi siempre el caso de las fibrillas amiloides y representó uno de los principales obstáculos para el análisis. Sin embargo, ahora teníamos una muestra bastante única con fibrillas muy homogéneas:el 90 por ciento de ellas tenían la misma forma y simetría, "dice Schröder.

El Dr. Lothar Gremer logró producir la muestra de fibrillas. "El paso crucial fue retardar en gran medida el crecimiento de las fibrillas en la muestra, desde unas horas hasta varias semanas. De este modo, las moléculas individuales de Aβ tuvieron suficiente tiempo para organizarse en fibrillas homogéneas de una manera muy uniforme y muy ordenada, "dice Gremer, quien inició y coordinó el estudio.

Las investigaciones de la muestra de fibrillas mediante espectroscopia de resonancia magnética nuclear de estado sólido proporcionaron datos adicionales para construir el modelo y ayudaron a validar la estructura. "La RMN nos permitió obtener información adicional, como qué residuos de aminoácidos forman puentes salinos, mejorando así la estabilidad de las fibrillas, "explica el profesor Henrike Heise. Los experimentos de difracción de rayos X supervisados ​​por el profesor Jörg Labahn en el Centro de Biología de Sistemas Estructurales en Hamburgo confirmaron además los resultados.

La microscopía crioelectrónica es un método de investigación relativamente nuevo para determinar la estructura de moléculas de proteínas. En el pasado, Los científicos utilizaron principalmente la cristalografía de rayos X y la espectroscopia de resonancia magnética nuclear. En 2015, La microscopía crioelectrónica fue elegida como método de investigación del año por la revista. Métodos de la naturaleza . Con el método tradicional de cristalografía de rayos X, las proteínas primero deben convertirse en una forma cristalina, mientras que con microscopía crioelectrónica y también espectroscopía de RMN, los componentes básicos de las proteínas se pueden investigar en su estado natural. En el caso de la microscopía crioelectrónica, las muestras se disuelven primero en agua, luego flash congelado, y finalmente investigado con un microscopio electrónico. Este método tiene ventajas particulares a la hora de investigar grandes estructuras compuestas por cientos o miles de proteínas.

El establecimiento de una instalación para microscopía crioelectrónica de alta resolución podría brindar a los científicos de Jülich la oportunidad de investigar moléculas biológicas. Además de la investigación básica, El Instituto de Sistemas Complejos de Jülich (ICS-6) también está desarrollando una nueva estrategia de tratamiento con su propio candidato a fármaco.