Los investigadores desarrollaron una técnica de microscopía que mide la ubicación y orientación de moléculas individuales y la utilizaron para estudiar los detalles estructurales de los agregados de proteínas amiloides. (a) Imagen de microscopía de localización de una sola molécula de una red de agregados amiloides. (b) Imagen que muestra las orientaciones de unión del rojo Nilo a las superficies amiloides, codificados por colores de acuerdo con la orientación promedio medida dentro de cada contenedor. (c-g) Medidas de orientación individual localizadas a lo largo de las cadenas principales de fibrillas dentro de los recuadros blancos en (b). Las líneas están orientadas y codificadas por colores de acuerdo con la dirección del ángulo estimado. Las barras de escala blancas horizontales son marcadores de longitud, 1 micrón en (a), (b) y 100 nm en (f), (gramo). Crédito:Tianben Ding, Tingting Wu y Matthew D. Lew, Universidad de Washington en St. Louis
Las enfermedades neurodegenerativas como el Alzheimer y el Parkinson suelen ir acompañadas de proteínas amiloides en el cerebro que se han agrupado o mal plegado. Una técnica recientemente desarrollada que mide la orientación de moléculas individuales permite utilizar la microscopía óptica, por primera vez, para revelar detalles a nanoescala sobre las estructuras de estas proteínas problemáticas.
Investigadores de la Universidad de Washington en St. Louis describen su nuevo enfoque en Optica , La revista de la Optical Society.
"Los trastornos neurodegenerativos como las enfermedades de Alzheimer y Parkinson son las principales causas de muerte en todo el mundo, "dijo Tianben Ding, co-primer autor del nuevo artículo. "Esperamos que nuestro enfoque de imágenes de orientación de una sola molécula pueda proporcionar nuevos conocimientos sobre la estructura amiloide y posiblemente contribuir al desarrollo futuro de terapias eficaces contra estas enfermedades".
Los procesos biológicos y químicos en el cerebro son impulsados por movimientos e interacciones complicados entre moléculas. Aunque la mayoría de las proteínas amiloides pueden no ser tóxicas, el plegado incorrecto incluso de unas pocas podría acabar con la vida de muchas neuronas.
"Necesitamos tecnologías de imágenes que puedan observar estos movimientos moleculares en los sistemas vivos para comprender los mecanismos biológicos fundamentales de las enfermedades," "explicó Matthew D. Lew, líder del equipo de investigación. "Enfermedades amiloides y de tipo priónico como el Alzheimer, El Parkinson y la diabetes son nuestros primeros objetivos para esta tecnología, pero vemos que también se aplica en muchas otras áreas ".
Seleccionar el mejor microscopio
El laboratorio de Lew ha desarrollado varios métodos de microscopía de superresolución de una sola molécula que miden la orientación y ubicación de moléculas fluorescentes unidas a proteínas individuales. La información de orientación se obtiene midiendo no solo la ubicación de la fluorescencia en la muestra, sino también las características de esa luz. como la polarización, que normalmente se ignoran en la mayoría de los demás enfoques de microscopía.
En su Optica artículo, los investigadores describieron una métrica de rendimiento que diseñaron para caracterizar la sensibilidad con la que varios microscopios pueden medir las orientaciones de las moléculas fluorescentes. Usando el nuevo indicador de desempeño, Los investigadores encontraron que un microscopio que divide la luz de fluorescencia en dos canales de polarización (xey) proporciona medidas de orientación prácticas y superiores.
"La métrica que desarrollamos calcula el rendimiento de un diseño de microscopio en particular 1, 000 veces más rápido que antes, "dijo Tingting Wu, co-primer autor del trabajo. "Al medir las orientaciones de moléculas individuales unidas a agregados amiloides, el microscopio seleccionado nos permitió mapear diferencias en la organización de la estructura amiloide que no pueden ser detectadas por microscopios de localización estándar ".
Dado que no existe un vínculo artificial entre las sondas fluorescentes y las superficies amiloides, La orientación de unión de las sondas a las superficies amiloides transmite información sobre cómo se organiza la proteína amiloide en sí. Los investigadores cuantificaron cómo variaban las orientaciones de las moléculas fluorescentes cada vez que una se unía a una proteína amiloide. Las diferencias en estos comportamientos de unión se pueden atribuir a diferencias de estructura entre agregados amiloides. Dado que el método proporciona información de una sola molécula, los investigadores pudieron observar diferencias a nanoescala entre estructuras amiloides sin promediar los detalles de las características locales.
Oportunidades para estudios a largo plazo
"Planeamos extender el método para monitorear los cambios a nanoescala dentro y entre las estructuras amiloides a medida que se organizan durante horas o días, ", dijo Ding." Los estudios a largo plazo de los agregados amiloides pueden revelar nuevas correlaciones entre cómo se organizan las proteínas amiloides y qué tan rápido crecen o se disuelven espontáneamente ".
Los investigadores señalan que la configuración que utilizaron para la microscopía de orientación-localización consistía en piezas disponibles comercialmente que son accesibles para cualquiera que realice microscopía de superresolución de una sola molécula. Su código de análisis está disponible en https://github.com/Lew-Lab/RoSE-O.
"En microscopía óptica e imágenes, Los científicos e ingenieros han estado ampliando los límites de las imágenes para ser más rápidos, sondear más profundamente y tener una resolución más alta, "dijo Lew." Nuestro trabajo muestra que uno puede arrojar luz sobre los procesos fundamentales en biología, en lugar de, centrándose en la orientación molecular, que puede revelar detalles sobre el funcionamiento interno de la biología que no se pueden visualizar con la microscopía tradicional ".
