p Amilóides referem-se a depósitos fibrosos extracelulares e proteicos anormais encontrados em órgãos e tecidos que formam construções insolúveis que são resistentes à degradação. Sua formação pode acompanhar doenças, onde cada doença é caracterizada por uma proteína específica ou agregado de peptídeo. As propriedades nanomecânicas das fibrilas amilóides e dos nanocristais dependem de sua estrutura secundária e quaternária e da geometria intermolecular. Os cientistas usaram métodos de imagem avançados, incluindo microscopia de força atômica (AFM) para desvendar a heterogeneidade morfológica e mecânica dos amilóides, embora seja difícil obter um entendimento completo com base em métodos espectroscópicos convencionais. p Em um relatório recente agora publicado em Ciência Avançada , Jozef Adamcik e uma equipe internacional de pesquisadores da ETH Zurique, a Universidade de Cambridge, a Universidade de Luxemburgo e a Universidade de Xangai, demonstraram métodos combinados de nanospectroscopia de molécula única. Eles combinaram as técnicas com modelagem atômica para entender a transição estrutural de fibrilas amilóides para microcristais amilóides baseados em hexapeptídeos em nanoescala. Eles creditaram a origem do enrijecimento a um conteúdo aumentado de estruturas intermoleculares de folha β. O aumento da rigidez nos módulos de Young se correlacionou com o aumento da densidade de ligações de hidrogênio intermoleculares e estruturas de folha β paralelas para estabilizar energeticamente os cristais.

p Amilóides na ciência dos materiais

p Amilóides são estruturas altamente ordenadas decorrentes de proteínas ou peptídeos e associadas a uma variedade de doenças, incluindo vários distúrbios neurodegenerativos, como Alzheimer, Mal de Parkinson, Doenças de Creutzfeldt-Jakob, e encefalopatias espongiformes bovinas. Compreender suas propriedades biofísicas pode fornecer muitas informações novas para inibir sua formação. Na ciência dos materiais, Contudo, a capacidade de um grande número de peptídeos e proteínas de se auto-montar em estruturas amilóides abre um método para usá-los para desenvolver novos nanomateriais para aplicações biomédicas e nanotecnológicas. Como resultado, os cientistas de materiais estão ansiosos para obter conhecimento detalhado da estrutura e morfologia das amilóides em um contexto mais amplo para aplicações em medicina e nanotecnologia. Nesse trabalho, Adamcik et al. examinou o polimorfismo dos sistemas de modelo hexapeptídico e usou as capacidades de uma única molécula de microscopia de força atômica de mapeamento nanomecânico quantitativo de pico de força (PF-QNM-AFM) para a análise. O método combinou AFM (microscopia de força atômica) e técnicas de infravermelho com modelagem atômica para estudar e correlacionar as técnicas nanomecânicas. propriedades químicas e estruturais da fibrila e suas formas cristalinas na escala de um único agregado.

p Microscopia de força atômica com mapeamento nanomecânico quantitativo de força de pico (PF-QNM-AFM)

p A equipe primeiro analisou hexapeptídeos ILQINS (um segmento de formação de amiloide) individualmente para entender a diferença nas propriedades nanomecânicas e estruturais. Eles extraíram os módulos de Young de cerca de 30 fibrilas diferentes com valores (2-3 GPa) típicos para fibrilas amilóides. Eles então observaram outro hexapeptídeo IFQINS - outro segmento de formação de amiloide, para mostrar a coexistência de fibrilas com uma estrutura de fitas helicoidais destras, fitas torcidas para destros e canhotos, cristais intermediários e cristais. Neste caso, os módulos de Young eram diferentes, e permitiu aos pesquisadores distinguir cada morfologia estrutural. Por exemplo, as fibrilas mostradas em vermelho tinham módulos de Young na faixa de 2-3 GPa, muito parecido com as fibrilas auto-montadas de ILQINS. Para cristais representados em azul, os módulos estavam na faixa de 5-6 GPa, enquanto os cristais intermediários vistos em verde foram espalhados por 2-5 GPa. Adicionalmente, as estruturas amiloides TFQINS auto-montadas em microcristais com um pequeno número de fitas torcidas, com tendências semelhantes aos hexapeptídeos IFQINS. A equipe também obteve uma análise detalhada dos módulos de Young de uma transição de fibrila para cristal de TFQINS.

p Nanospectroscopia infravermelha (AFM ‐ IR)

p Adamcik et al. em seguida, aplicou espectroscopia de infravermelho (IR) para entender melhor a correlação entre as propriedades nanomecânicas e a heterogeneidade da estrutura secundária química de fibrilas e cristais individuais. Eles selecionaram os peptídeos IFQINS para os experimentos com a ferramenta AFM-IR devido à sua heterogeneidade. Os cientistas observaram mapas de morfologia usando a técnica para mostrar a coexistência de fibrilas torcidas e cristais em nanoescala. O sistema AFM-IR permitiu a resolução espectroscópica das bandas de amida que são tipicamente conhecidas como impressões digitais de proteínas ou peptídeos. Os cientistas investigaram as mudanças estruturais sutis durante a transição do cristal fibrilar para o cristal intermediário e para o cristalino, para indicar um aumento líquido do conteúdo da folha β paralela intermolecular e um ligeiro aumento da conformação da folha β antiparalela. A equipe creditou o resultado ao módulo de Young aumentado da fibrila aos estados de cristal, onde o método de espectroscopia de infravermelho e recuo AFM forneceram uma sinopse da organização em escala atômica.

p Simulações atômicas

p Em seguida, os pesquisadores realizaram simulações atomísticas do processo de indentação para investigar as mudanças nas propriedades do material amilóide após adquirir a ordem do cristal. Eles usaram peptídeos ILQINS para essas simulações para compreender as versões de modelos de amiloides grossos e finos. A estrutura fina tinha um backbone menos compacto em comparação com a estrutura espessa. Os módulos de cristais de Young excederam os de amiloides torcidos em 3,6 GPa para mostrar que a ordenação dos cristais é maior do que as fibrilas, muito parecido com o recuo experimental. Tomados em conjunto, os resultados mostraram que a transição da fibrila para o cristal na amiloide está associada ao aumento da folha β intermolecular e ligações de hidrogênio que resultaram no deslocamento da banda da amida I para frequências vibracionais mais baixas. Essa mudança permitiu que a estrutura do cristal se tornasse estável com base na entropia vibracional e na ordem de longo alcance das ligações H. O trabalho forneceu um processo claro de transições de fibrila para cristal para formar cristais do tipo amiloide excepcionalmente estáveis.

p Panorama

p Desta maneira, Jozef Adamcik e colegas combinaram imagens de microscopia de força atômica de molécula única, nanoindentação e espectroscopia química em nanoescala com modelagem atômica para entender as propriedades nanomecânicas e vibracionais de polimorfos amilóides. Eles observaram a transição de fibrilas para microcristais e investigaram uma série de fragmentos de hexapeptídeos (incluindo ILQINS, IFQINS, e TFQINS). As fibrilas amilóides e os microcristais mostraram diferentes módulos de Young, onde os cristais amilóides apresentaram valores maiores devido à maior densidade e ordem das folhas β intermoleculares nas arquiteturas microcristais. O trabalho forneceu um mapa sem precedentes do atomístico, mesoscópico, e propriedades vibracionais do agregado amilóide para elaborar as origens moleculares dos cristais amilóides termodinamicamente estáveis ​​para aplicações em ciência de materiais à nanomedicina. p © 2020 Science X Network