1H, 13C, and 15N chemical shift assignments of monomorphic Aβ1-40 at 100 kHz MAS in a diamond rotor

يُعد مرض الزهايمر حالة مدمرة تنهش الذاكرة والهوية، وتؤثر على الملايين من الناس في جميع أنحاء العالم. وفي قلب هذا المرض تكمن قطعة بروتينية صغيرة تسمى "أميلويد بيتا". في الظروف العادية، تطفو هذه البروتينات دون ضرر في السائل المحيط بخلايا الدماغ، ومع ذلك، في حالة الزهايمر، تعيد هذه البروتينات تشكيل نفسها وتتكتل لتصبح أليافًا طويلة وصلبة تُعرف باسم "الليفات" (fibrils). تتراكم هذه الليفات لتشكل اللويحات التي تعد العلامة المميزة للمرض. وبينما كان العلماء يعلمون منذ فترة طويلة بوجود هذه اللويحات، إلا أن فهم كيفية تراص البروتينات مع بعضها البعض بدقة كان أمرًا صعبًا. يمكن للبروتينات أن ترتب نفسها بطرق مختلفة عديدة، تمامًا مثل مجموعة من قطع البناء التي يمكن تجميعها في هياكل متنوعة. وهذا التنوع، أو "تعدد الأشكال" (polymorphism)، يجعل من الصعب تحديد شكل واحد نهائي، مما يعقد بدوره الجهود الرامية لتصميم أدوية قد توقف هذه العملية. ولحل هذه المعضلة، يحتاج الباحثون إلى وسيلة لرؤية ذرات هذه الألياف بوضاً فائق الوضوح، ورسم خريطة دقيقة لموقع كل قطعة بالنسبة لجيرانها.

لقد قدم فريق من الباحثين الآن خريطة واضحة للغاية لنسخة محددة من هذه الألياف الأميلويدية. فقد ركزوا على شكل من أشكال البروتين يسمى "Aβ1-40"، وهو النوع الأكثر شيوعًا الموجود في الدماغ. وفي عمل سابق، نجح الفريق بالفعل في تنمية عينة موحدة للغاية من هذه الألياف في المختبر، مما ضمن أن تبدو جميع الألياف متطابقة تمامًا، على عكس المزيج الفوضوي الذي يوجد غالبًا في الطبيعة. وكان الفريق قد حدد مسبقًا البنية الذرية لهذه العينة الموحدة باستخدام تقنية تسمى "الرنين المغناطيسي النووي"، والتي تعمل مثل ماسح ضوئي متطور للكشف عن مواقع الذرات. ومع ذلك، كانت تلك الخريطة السابقة تفتقر إلى جزء حيوي من اللغز: ذرات الهيدروجين. والهيدروجين هو الذرة الأكثر وفرة في هذه البروتينات، وهو حساس للغاية لبيئته، مما يجعله مؤشرًا ممتازًا لكيفية تفاعل البروتين مع الجزيئات الأخرى. وتكمن المشكلة في أن ذرات الهيدروجين عديدة جدًا ومتقاربة جدًا لدرجة أنها عادة ما تسبب تشوشًا في الإشارة، مما يجعل من المستحيل رؤيتها بوضوح في ليف صلب.

وللتغلب على هذا التشوش، لجأ الباحثون إلى طريقة تقوم بتدوير العينة بسرعة هائلة. فقد وضعوا كمية ضئيلة من ألياف البروتين، تزن أقل من نصف ملليجرام، داخل دوار مصنوع من بلورة ألماس واحدة. يبلغ عرض هذا الدوار الماسي 0.7 مليمتر فقط، أي ما يعادل تقريبًا سمك شعرة الإنسان. ومن خلال تدوير هذا الحاوية الماسية الصغيرة بسرعة 100,000 دورة في الثانية، تمكن الباحثون من متوسط التفاعلات المربكة بين ذرات الهيدروجين. هذا الدوران عالي السرعة، مقترنًا بمجال مغناطيسي قوي، سمح لهم أخيرًا برؤية ذرات الهيدروجين بوضوح لأول مرة في هذا النوع المحدد من الألياف. وباستخدام هذا الإعداد، سجلوا سلسلة من التجارب التي تتبعت الروابط بين ذرات الهيدروجين وذرات الكربون والنيتروجين داخل سلسلة البروتين.

والنتيجة هي تعيين تفصيلي للإزاحات الكيميائية على مستوى الثمالة (residue-level) لكل ذرة هيدروجين تقريبًا في النواة الصلبة لليف، والتي تمتد من وحدة البناء رقم 15 إلى 40 في البروتين. لقد نجحوا في تحديد 123 إشارة هيدروجين متميزة، تغطي حوالي 90 بالمائة من الجزء المركزي المستقر من الليف. كما تمكنوا من رؤية ست عشرة إشارة من الذيل المرن في بداية البروتين، وهي منطقة كان من الصعب مراقبتها سابقًا لأنها تتحرك كثيرًا بحيث لا تستطيع الطرق القديمة التقاطها. وبالإضافة إلى العثور على مواقع الهيدروجين هذه، ساعدت البيانات الجديدة في تحديد العديد من إشارات الكربون والنيتروجين التي كانت مفقودة من خرائطهم السابقة، لا سيًا في السلاسل الجانبية العطرية والقطعة الطرفية النيتروجينية المتحركة. كما حدد الفريق اتصالات محددة بين الذرات في أجزاء مجاورة من البروتين، مما أكد أن الخريطة الجديدة تتوافق تمامًا مع البنية التي حددوها سابقًا.

إن هذا العمل لا يقتصر فقط على ملء التفاصيل المفقودة؛ بل إنه يؤسس نقطة مرجعية دقيقة للمجتمع العلمي. نظرًا لأن الألياف موحدة والقياسات مفصلة للغاية، يمكن للباحثين الآخرين الآن استخدام هذه الخريطة كمعيار لمقارنة عيناتهم الخاصة. فإذا قام مختبر آخر بتنمية ألياف تحت ظروف مختلفة قليلاً، يمكنهم التحقق من نتائجهم مقابل هذا المرجع لمعرفة ما إذا كانت البنية قد تغيرت. علاوة على ذلك، توفر هذه الخريطة عالية الدقة لذرات الهيدروجين أداة حساسة لدراسة كيفية ارتباط الجزيئات الأخرى، مثل الأجسام المضادة أو الأدوية المحتملة، بالليف. وبما أن ذرات الهيدروجين شديدة الاستجابة لبيئتها، فإن أي تغيير ناتج عن جزيء مرتبط سيظهر فورًا في البيانات. ومن خلال تقديم هذه الرؤية الواضحة، ذرة بذرة، لليف الأميلويد، منح الباحثون المجال أساسًا متينًا لفهم كيفية تشكل هذه الهياكل وكيف يمكن استهدافها لعلاج مرض الزهايمر.