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

La enfermedad de Alzheimer es una condición devastadora que erosiona la memoria y la identidad, afectando a millones de personas en todo el mundo. En el corazón de esta enfermedad se encuentra un diminuto fragmento de proteína llamado beta-amiloide. En circunstancias normales, estas proteínas flotan de manera inofensiva en el fluido que rodea a las células cerebrales. Sin embargo, en el Alzheimer, se pliegan incorrectamente y se agrupan en fibras largas y rígidas conocidas como fibrillas. Estas fibrillas se acumulan en las placas que son la característica distintiva de la enfermedad. Aunque los científicos saben desde hace tiempo que estas placas existen, comprender exactamente cómo se apilan las proteínas ha sido difícil. Las proteínas pueden disponerse de muchas formas diferentes, de forma muy similar a un juego de bloques de construcción que pueden ensamblarse en diversas estructuras. Esta variedad, o polimorfismo, hace que sea difícil determinar una forma única y definitiva, lo que a su vez complica los esfuerzos para diseñar fármacos que puedan detener el proceso. Para resolver esto, los investigadores necesitan una forma de ver los átomos de estas fibras con extrema claridad, mapeando exactamente dónde se sitúa cada pieza en relación con sus vecinas.

Un equipo de investigadores ha proporcionado ahora un mapa notablemente claro de una versión específica de estas fibras amiloides. Se centraron en una forma de la proteína llamada Aβ1-40, que es el tipo más común encontrado en el cerebro. En un trabajo anterior, el equipo ya había cultivado una muestra muy uniforme de estas fibras en un laboratorio, asegurando que cada fibra se viera exactamente igual, a diferencia de las mezclas desordenadas que se encuentran a menudo en la naturaleza. Previamente habían determinado la estructura atómica de esta muestra uniforme utilizando una técnica llamada resonancia magnética nuclear, que actúa como un escáner sofisticado para detectar la posición de los átomos. Sin embargo, ese mapa anterior carecía de una pieza crucial del rompecabezas: los átomos de hidrógeno. El hidrógeno es el átomo más abundante en estas proteínas y es altamente sensible a su entorno, lo que lo convierte en un excelente indicador de cómo la proteína interactúa con otras moléculas. El desafío era que los átomos de hidrógeno son tan numerosos y están tan cerca unos de otros que normalmente difuminan la señal, haciendo imposible verlos con claridad en una fibra sólida.

Para superar este desenfoque, los investigadores recurrieron a un método que hace girar la muestra a una velocidad increíblemente alta. Empacaron una pequeña cantidad de las fibras de proteína, que pesaba menos de medio miligramo, en un rotor hecho de un solo cristal de diamante. Este rotor de diamante mide solo 0.7 milímetros de ancho, aproximadamente el grosor de un cabello humano. Al hacer girar este diminuto contenedor de diamante a 100,000 rotaciones por segundo, los investigadores pudieron promediar las interacciones confusas entre los átomos de hidrógeno. Este giro de alta velocidad, combinado con un campo magnético potente, les permitió finalmente ver los átomos de hidrógeno con claridad por primera vez en este tipo específico de fibra. Utilizando esta configuración, registraron una serie de experimentos que trazaron las conexiones entre los átomos de hidrógeno y los átomos de carbono y nitrógeno dentro de la cadena de la proteína.

El resultado es una asignación detallada de los desplazamientos químicos a nivel de residuo para casi todos los átomos de hidrógeno en el núcleo rígido de la fibra, que se extiende desde el decimocuarto hasta el cuadragésimo bloque de construcción de la proteína. Identificaron con éxito 123 señales de hidrógeno distintas, que cubren aproximadamente el 90 por ciento de la parte central estable de la fibra. También lograron observar dieciséis señales de la cola flexible al principio de la proteína, una región que había sido difícil de observar anteriormente porque se mueve demasiado para ser capturada por los métodos antiguos. Además de encontrar estas posiciones de hidrógeno, los nuevos datos les ayudaron a localizar varias señales de carbono y nitrógeno que faltaban en sus mapas previos, particularmente en las cadenas laterales aromáticas y el segmento N-terminal móvil. El equipo también identificó contactos específicos entre átomos en partes vecinas de la proteína, confirmando que el nuevo mapa se alinea perfectamente con la estructura que determinaron anteriormente.

Este trabajo hace más que solo llenar detalles faltantes; establece un punto de referencia preciso para la comunidad científica. Debido a que las fibras son uniformes y las mediciones son tan detalladas, otros investigadores pueden ahora utilizar este mapa como un estándar para comparar sus propias muestras. Si un laboratorio diferente cultiva fibras bajo condiciones ligeramente diferentes, pueden verificar sus resultados contra esta referencia para ver si la estructura ha cambiado. Además, este mapa de alta resolución de los átomos de hidrógeno proporciona una herramienta sensible para estudiar cómo otras moléculas, como los anticuerpos o los fármacos potenciales, podrían unirse a la fibra. Dado que los átomos de hidrógeno son tan sensibles a su entorno, cualquier cambio causado por una molécula de unión será inmediatamente visible en los datos. Al proporcionar esta vista clara, residuo por residuo, de la fibra amiloide, los investigadores han dado al campo una base sólida para comprender cómo se forman estas estructuras y cómo podrían ser el objetivo para tratar el Alzheimer.