Un nuevo método experimental permite el análisis de rayos X de amiloides, una clase de grande, biomoléculas filamentosas que son un sello importante de enfermedades como el Alzheimer y el Parkinson. Un equipo internacional de investigadores encabezado por científicos de DESY ha utilizado un potente láser de rayos X para obtener información sobre la estructura de diferentes muestras de amiloide. La dispersión de rayos X de las fibrillas amiloides dan patrones algo similares a los obtenidos por Rosalind Franklin a partir del ADN en 1952. que llevó al descubrimiento de la estructura conocida, la doble hélice.
El láser de rayos X, billones de veces más intenso que el tubo de rayos X de Franklin, abre la capacidad de examinar fibrillas amiloides individuales, los constituyentes de los filamentos amiloides. Con haces de rayos X tan potentes, cualquier material extraño puede abrumar la señal de la muestra de fibrillas invisiblemente pequeña. La película de carbono ultrafina, el grafeno, resolvió este problema para permitir que se registraran patrones extremadamente sensibles. Esto marca un paso importante hacia el estudio de moléculas individuales utilizando láseres de rayos X, un objetivo que los biólogos estructurales han estado persiguiendo durante mucho tiempo. Los científicos presentan su nueva técnica en la revista Comunicaciones de la naturaleza .
Los amiloides son largos, hebras ordenadas de proteínas que constan de miles de subunidades idénticas. Si bien se cree que los amiloides desempeñan un papel importante en el desarrollo de enfermedades neurodegenerativas, recientemente se han identificado formas amiloides cada vez más funcionales. "La 'hormona del bienestar' endorfina, por ejemplo, puede formar fibrillas amiloides en la glándula pituitaria. Se disuelven en moléculas individuales cuando cambia la acidez de su entorno, después de lo cual estas moléculas pueden cumplir su propósito en el cuerpo, "explica Carolin Seuring de DESY, científico del Center for Free-Electron Laser Science (CFEL) y autor principal del artículo. "Otras proteínas amiloides, como los que se encuentran en los cerebros post-mortem de pacientes que padecen Alzheimer, se acumulan como fibrillas amiloides en el cerebro, y no se puede descomponer y, por lo tanto, afectar la función cerebral a largo plazo ".
Los científicos están tratando de determinar la estructura espacial de los amiloides con la mayor precisión posible, con el fin de utilizar esta información para obtener más información sobre el funcionamiento de las fibrillas de proteínas:"Nuestro objetivo es comprender el papel de la formación y estructura de las fibrillas de amiloide en el cuerpo y en el desarrollo de enfermedades neurodegenerativas, "dice Seuring al describir la motivación del equipo." El análisis estructural de los amiloides es complejo, y examinarlos con los métodos existentes se ve obstaculizado por las diferencias entre las fibrillas dentro de una sola muestra ". El equipo utilizó el láser de rayos X de electrones libres LCLS en el SLAC National Accelerator Center en los EE. UU.
Un problema es que las hebras de amiloides, conocidas como fibrillas, no se puede cultivar como cristales, que es el método habitual de realizar estudios estructurales de resolución atómica utilizando rayos X. Las fibrillas amiloides individuales tienen solo unos pocos nanómetros de grosor y, por lo tanto, generalmente son demasiado pequeñas para producir una señal medible cuando se exponen a los rayos X. Por esta razón, el enfoque habitual es alinear millones de estas fibrillas paralelas entre sí, y agruparlos para que sus señales se sumen. Sin embargo, esto significa que los patrones de difracción son producidos por todo el conjunto, y se pierde información sobre las diferencias estructurales entre las fibrillas individuales. "Una parte importante de nuestro conocimiento sobre las fibrillas amiloides se deriva de la resonancia magnética nuclear (RMN) y los datos de microscopía crioelectrónica, "explica Seuring." Cuando trabaja con muestras que son tan heterogéneas como los amiloides, aunque, y también al observar la dinámica de la formación de fibrillas, los métodos existentes alcanzan sus límites ".
Para poder acceder a la información de estructura de muestras tan heterogéneas en el futuro, el equipo optó por un nuevo enfoque experimental. En lugar de suspender los amiloides individuales en un fluido portador, los científicos lo colocaron en un portador sólido ultrafino hecho de grafeno. en el que los átomos de carbono están dispuestos en un patrón hexagonal más bien como un panal atómico. "Este soporte de muestra tiene un doble beneficio, "dice el profesor Henry Chapman de CFEL, quien es un científico líder en DESY. "Por una cosa, el grafeno es solo una capa delgada de átomos y, en contraste con un fluido portador resistente, deja un rastro en el patrón de difracción. Por otra cosa, su estructura regular asegura que todas las fibrillas de proteínas se alineen en la misma dirección, al menos en dominios más grandes ". Los patrones de difracción de múltiples fibrillas se superponen y se refuerzan entre sí, como en un cristal, pero prácticamente no hay dispersión de fondo disruptiva como en el caso de un fluido portador. Este método permite obtener patrones de difracción a partir de menos de 50 fibrillas de amiloide, para que las diferencias estructurales emerjan más claramente. "Hemos observado asimetrías características en nuestros datos que sugieren que nuestra técnica podría incluso utilizarse para determinar la estructura de las fibrillas individuales, "dice Seuring.
"El instrumento CXI en LCLS proporcionó un excepcional brillo, haz de nanofocus que nos permitió extraer datos de una cantidad tan pequeña de fibras, "informa el coautor Mengning Liang, científico de SLAC. "Las fibrillas son una tercera categoría de muestras que se pueden estudiar de esta manera con láseres de rayos X, además de partículas individuales y cristales. En algunos aspectos, las fibrillas encajan entre las otras dos:tienen variaciones recurrentes en la estructura como cristales, pero sin la rígida estructura de cristal ".
Los científicos probaron su método en muestras del virus del mosaico del tabaco, también examinado por primera vez por Rosalind Franklin, y que forma filamentos de una estructura que ahora se conoce con gran detalle. De hecho, la prueba proporcionó datos estructurales sobre el virus con una precisión de 0,27 nanómetros (millonésimas de milímetro), lo que corresponde a una resolución casi en la escala de un solo átomo. El examen de fibrillas de amiloide claramente más pequeñas hechas de endorfina, así como fibrillas de amiloide hechas de la hormona bombesina, que está involucrado, entre otras cosas, en ciertos tipos de cáncer, también proporcionó información estructural, con una precisión de 0,24 nanómetros. Aunque los datos eran insuficientes para calcular la estructura completa, el estudio muestra una gran promesa para la recuperación estructural cuando haya más datos disponibles, y abre un nuevo camino para el análisis estructural de amiloides mediante láseres de rayos X. "Es sorprendente que estemos llevando a cabo experimentos muy similares a los que hizo Franklin, pero ahora están alcanzando el nivel de moléculas individuales, "dice Chapman.
