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

Die Alzheimer-Krankheit ist eine verheerende Erkrankung, die das Gedächtnis und die Identität zerstört und Millionen von Menschen weltweit betrifft. Im Zentrum dieser Krankheit liegt ein winziges Proteinfragment namens Amyloid-Beta. Unter normalen Umständen schwimmen diese Proteine harmlos in der Flüssigkeit, die die Gehirnzellen umgibt. Bei Alzheimer jedoch falten sie sich falsch und verklumpen zu langen, starren Fasern, die als Fibrillen bekannt sind. Diese Fibrillen sammeln sich zu den Plaques an, die das Markenzeichen der Krankheit sind. Während Wissenschaftler schon lange wissen, dass diese Plaques existieren, war es schwierig zu verstehen, wie genau die Proteine aufeinander stapeln. Die Proteine können sich auf viele verschiedene Arten anordnen, ganz ähnlich wie ein Satz Bausteine, die zu verschiedenen Strukturen zusammengesetzt werden können. Diese Vielfalt, oder Polymorphismus, macht es schwierig, eine einzige, definitive Form festzulegen, was wiederum die Bemühungen erschwert, Medikamente zu entwickeln, die diesen Prozess stoppen könnten. Um dies zu lösen, müssen Forscher einen Weg finden, die Atome dieser Fasern mit extremer Klarheit zu sehen und genau kartografieren, wo jedes Teil im Verhältnis zu seinen Nachbarn sitzt.

Ein Forschungsteam hat nun eine bemerkenswert klare Karte einer spezifischen Version dieser Amyloid-Fasern erstellt. Sie konzentrierten sich auf eine Form des Proteins namens Aβ1-40, die am häufigsten im Gehirn vorkommende Art. In einer früheren Arbeit hatte das Team bereits eine sehr einheitliche Probe dieser Fasern im Labor gezüchtet und so sichergestellt, dass jede Faser exakt gleich aussieht, im Gegensatz zu den chaotischen Mischungen, die oft in der Natur vorkommen. Sie hatten zuvor die atomare Struktur dieser einheitlichen Probe mittels einer Technik namens Kernspinresonanz bestimmt, die wie ein hochentwickelter Scanner funktioniert, um die Position von Atomen zu detektieren. Dieser frühere Atlas fehlte jedoch ein entscheidendes Puzzleteil: die Wasserstoffatome. Wasserstoff ist das am häufigsten vorkommende Atom in diesen Proteinen und reagiert sehr empfindlich auf seine Umgebung, was ihn zu einem exzellenten Indikator dafür macht, wie das Protein mit anderen Molekülen interagiert. Die Herausforderung bestand darin, dass Wasserstoffatome so zahlreich und so nah beieinander liegen, dass sie das Signal normalerweise verschwimmen lassen, was es unmöglich macht, sie in einer festen Faser klar zu sehen.

Um dieses Verschwimmen zu überwinden, griff das Forschungsteam zu einer Methode, bei der die Probe mit einer unglaublichen Geschwindigkeit rotiert wird. Sie packten eine winzige Menge der Proteinfasern, die weniger als einen halben Milligramm wog, in einen Rotor aus einem einzelnen Diamonenkristall. Dieser Diamantrotor ist nur 0,7 Millimeter breit, etwa so dick wie ein menschliches Haar. Indem die Forscher diesen winzigen Diamantbehälter mit 100.000 Umdrehungen pro Sekunde rotieren ließen, konnten sie die verwirrenden Wechselwirkungen zwischen den Wasserstoffatomen herausmitteln. Dieses Hochgeschwindigkeitsrotieren, kombiniert mit einem starken Magnetfeld, ermöglichte es ihnen, die Wasserstoffatome erstmals klar in dieser spezifischen Art von Faser zu sehen. Mit diesem Aufbau zeichneten sie eine Reihe von Experimenten auf, die die Verbindungen zwischen den Wasserstoffatomen und den Kohlenstoff- und Stickstoffatomen innerhalb der Proteinkette nachverfolgten.

Das Ergebnis ist eine detaillierte Zuordnung der chemischen Verschiebungen auf Residuenebene für fast jedes Wasserstoffatom im starren Kern der Faser, der sich vom 15. bis zum 40. Baustein des Proteins erstreckt. Es gelang ihnen, 123 unterschiedliche Wasserstoffsignale zu identifizieren, die etwa 90 Prozent des stabilen, zentralen Teils der Faser abdecken. Sie konnten zudem sechzehn Signale vom flexiblen Schwanz am Anfang des Proteins erfassen, einem Bereich, der zuvor schwer zu beobachten war, da er sich für ältere Methoden zu stark bewegt. Zusätzlich zu dem Auffinden dieser Wasserstoffpositionen halfen die neuen Daten ihnen dabei, mehrere Kohlenstoff- und Stickstoffsignale zu lokalisieren, die in ihren bisherigen Karten fehlten, insbesondere in den aromatischen Seitenketten und dem mobilen N-terminalen Segment. Das Team identifizierte auch spezifische Kontakte zwischen Atomen in benachbarten Teilen des Proteins und bestätigte damit, dass die neue Karte perfekt mit der zuvor durch sie bestimmten Struktur übereinstimmt.

Diese Arbeit füllt nicht nur fehlende Details aus; sie etabliert einen präzisen Referenzpunkt für die wissenschaftliche Gemeinschaft. Da die Fasern einheitlich sind und die Messungen so detailliert sind, können andere Forscher diese Karte nun als Standard nutzen, um ihre eigenen Proben zu vergleichen. Wenn ein anderes Labor Fasern unter leicht anderen Bedingungen züchtet, kann es seine Ergebnisse mit diesem Referenzwert abgleichen, um zu sehen, ob sich die Struktur verändert hat. Darüber hinaus bietet dieser hochauflösende Atlas der Wasserstoffatome ein empfindliches Werkzeug, um zu untersuchen, wie andere Moleküle, wie etwa Antikörper oder potenzielle Medikamente, an die Faser binden könnten. Da Wasserstoffatome so reaktiv auf ihre Umgebung sind, wird jede durch ein Bindungsmolekül verursachte Änderung in den Daten sofort sichtbar sein. Indem sie diese klare Sichtweise auf die Amyloid-Faser auf Residuenebene bereitstellen, haben die Forscher dem Fachgebiet ein solides Fundament gegeben, um zu verstehen, wie diese Strukturen entstehen und wie sie gezielt zur Behandlung von Alzheimer bekämpft werden können.