Um novo método experimental permite a análise de raios-X de amilóides, uma classe grande, biomoléculas filamentosas que são uma importante marca registrada de doenças como Alzheimer e Parkinson. Uma equipe internacional de pesquisadores liderada por cientistas do DESY usou um poderoso laser de raios-X para obter informações sobre a estrutura de diferentes amostras de amiloide. O espalhamento de raios-X de fibrilas amilóides dá padrões um tanto semelhantes aos obtidos por Rosalind Franklin do DNA em 1952, que levou à descoberta da estrutura bem conhecida, a dupla hélice.
O laser de raios X, trilhões de vezes mais intenso do que o tubo de raios-X de Franklin, abre a capacidade de examinar fibrilas amilóides individuais, os constituintes dos filamentos amilóides. Com tais feixes de raios-X poderosos, qualquer material estranho pode sobrepujar o sinal da amostra de fibrila invisivelmente pequena. O filme de carbono ultrafino - grafeno - resolveu esse problema para permitir a gravação de padrões extremamente sensíveis. Isso marca um passo importante para estudar moléculas individuais usando lasers de raios-X, uma meta que os biólogos estruturais há muito perseguem. Os cientistas apresentam sua nova técnica na revista Nature Communications .
Amilóides são longos, cadeias ordenadas de proteínas que consistem em milhares de subunidades idênticas. Embora se acredite que as amilóides desempenham um papel importante no desenvolvimento de doenças neurodegenerativas, recentemente, cada vez mais formas amilóides funcionais foram identificadas. "A endorfina do 'hormônio da sensação de bem-estar', por exemplo, pode formar fibrilas amilóides na glândula pituitária. Eles se dissolvem em moléculas individuais quando a acidez do ambiente muda, após o qual essas moléculas podem cumprir seu propósito no corpo, "explica Carolin Seuring do DESY, um cientista do Center for Free-Electron Laser Science (CFEL) e o principal autor do artigo. "Outras proteínas amilóides, como aqueles encontrados em cérebros post-mortem de pacientes que sofrem de Alzheimer, se acumulam como fibrilas amilóides no cérebro, e não pode ser decomposto e, portanto, prejudicar a função cerebral a longo prazo. "
Os cientistas estão tentando determinar a estrutura espacial das amilóides com a maior precisão possível, a fim de usar essas informações para saber mais sobre como funcionam as fibrilas de proteínas:"Nosso objetivo é entender o papel da formação e estrutura das fibrilas amilóides no corpo e no desenvolvimento de doenças neurodegenerativas, "diz Seuring ao descrever a motivação da equipe." A análise estrutural de amilóides é complexa, e examiná-los usando métodos existentes é dificultado pelas diferenças entre as fibrilas em uma única amostra. "A equipe usou o laser de elétrons livres de raios-X LCLS no SLAC National Accelerator Center nos EUA.
Um problema é que os filamentos de amilóides, conhecido como fibrilas, não podem crescer como cristais, que é o método usual de realizar estudos estruturais de resolução atômica usando raios-X. As fibrilas amilóides individuais têm apenas alguns nanômetros de espessura e, portanto, geralmente são muito pequenas para produzir um sinal mensurável quando expostas aos raios-X. Por esta razão, a abordagem usual é alinhar milhões dessas fibrilas paralelas umas às outras, e agrupá-los de forma que seus sinais sejam somados. Contudo, isso significa que os padrões de difração são produzidos por todo o conjunto, e as informações sobre as diferenças estruturais entre as fibrilas individuais são perdidas. "A maior parte do nosso conhecimento sobre as fibrilas amilóides é derivada de dados de ressonância magnética nuclear (NMR) e microscopia crioeletrônica, "explica Seuring." Quando você está trabalhando com amostras que são tão heterogêneas quanto amilóides, no entanto, e também ao observar a dinâmica da formação de fibrilas, os métodos existentes atingem seus limites. "
A fim de obter acesso às informações de estrutura de tais amostras heterogêneas no futuro, a equipe optou por uma nova abordagem experimental. Em vez de suspender os amilóides individuais em um fluido transportador, os cientistas os colocaram em um transportador sólido ultrafino feito de grafeno, em que os átomos de carbono estão dispostos em um padrão hexagonal, como um favo de mel atômico. "Este exemplo de suporte tem um benefício duplo, "diz o professor Henry Chapman do CFEL, que é um cientista líder no DESY. "Por uma coisa, O grafeno é apenas uma única camada de átomos finos e, em contraste com um fluido de transporte resistente, deixa um traço no padrão de difração. Por outra coisa, sua estrutura regular garante que todas as fibrilas de proteína se alinhem na mesma direção - pelo menos em domínios maiores. "Os padrões de difração de múltiplas fibrilas se sobrepõem e reforçam uns aos outros, muito parecido com um cristal, mas não há virtualmente nenhum espalhamento de fundo perturbador como no caso de um fluido de transporte. Este método permite que os padrões de difração sejam obtidos a partir de menos de 50 fibrilas amilóides, para que as diferenças estruturais surjam mais claramente. "Observamos assimetrias características em nossos dados, o que sugere que nossa técnica poderia até mesmo ser usada para determinar a estrutura de fibrilas individuais, "diz Seuring.
"O instrumento CXI no LCLS forneceu um excepcional brilho, feixe de nanofoco que nos permitiu extrair dados de um número tão pequeno de fibras, "relata o co-autor Mengning Liang, um cientista do SLAC. “As fibrilas são uma terceira categoria de amostras que podem ser estudadas desta forma com lasers de raios-X, além de partículas e cristais individuais. Em alguns aspectos, fibrilas se encaixam entre as outras duas:elas têm regular, variações recorrentes na estrutura, como cristais, mas sem a estrutura de cristal rígida. "
Os cientistas testaram seu método em amostras do vírus do mosaico do tabaco, também examinado pela primeira vez por Rosalind Franklin, e que forma filamentos de uma estrutura que agora é conhecida em grande detalhe. O teste realmente forneceu dados estruturais sobre o vírus com uma precisão de 0,27 nanômetros (milionésimos de milímetro) - correspondendo a uma resolução quase na escala de um único átomo. O exame de fibrilas amilóides distintamente menores feitas de endorfina, bem como fibrilas amilóides feitas de hormônio bombesina, que está envolvido, entre outras coisas, em certos tipos de câncer, também forneceu algumas informações estruturais, com uma precisão de 0,24 nanômetros. Embora os dados fossem insuficientes para o cálculo da estrutura completa, o estudo mostra uma grande promessa para a recuperação estrutural quando mais dados estiverem disponíveis, e abre um novo caminho para a análise estrutural de amilóides usando lasers de raios-X. "É incrível que estejamos realizando experimentos muito semelhantes aos de Franklin, mas agora estão atingindo o nível de moléculas únicas, "diz Chapman.
