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

La malattia di Alzheimer è una condizione devastante che erode la memoria e l'identità, colpendo milioni di persone in tutto il mondo. Al cuore di questa malattia si trova un minuscolo frammento proteico chiamato amiloide-beta. In circostanze normali, queste proteine fluttuano innocuamente nel fluido che circonda le cellule cerebrali. Tuttavia, nell'Alzheimer, esse si ripiegano in modo errato e si aggregano in fibre lunghe e rigide note come fibrille. Queste fibrille si accumulano nelle placche che sono il segno distintivo della malattia. Sebbene gli scienziati sappiano da tempo che queste placche esistono, comprendere esattamente come le proteine si impilano tra loro è stato difficile. Le proteine possono disporsi in molti modi diversi, molto simile a un set di blocchi da costruzione che possono essere assemblati in varie strutture. Questa varietà, o polimorfismo, rende difficile individuare una forma singola e definitiva, il che a sua volta complica gli sforzi per progettare farmaci che possano bloccare il processo. Per risolvere questo problema, i ricercatori hanno bisogno di un modo per vedere gli atomi di queste fibre con estrema chiarezza, mappando esattamente dove ogni pezzo si trova rispetto ai suoi vicini.

Un team di ricercatori ha ora fornito una mappa straordinariamente chiara di una specifica versione di queste fibre amiloidi. Si sono concentrati su una forma della proteina chiamata Aβ1-40, che è il tipo più comune presente nel cervello. In un lavoro precedente, il team aveva già coltivato un campione molto uniforme di queste fibre in laboratorio, assicurando che ogni fibra apparisse esattamente uguale, a differenza delle miscele disordinate che si trovano spesso in natura. Avevano precedentemente determinato la struttura atomica di questo campione uniforme utilizzando una tecnica chiamata risonanza magnetica nucleare, che agisce come uno scanner sofisticato per rilevare la posizione degli atomi. Tuttavia, quella mappa precedente mancava di un pezzo cruciale del puzzle: gli atomi di idrogeno. L'idrogeno è l'atomo più abbondante in queste proteine ed è altamente sensibile al suo ambiente, rendendolo un eccellente indicatore di come la proteina interagisce con altre molecole. La sfida era che gli atomi di idrogeno sono così numerosi e così vicini tra loro che di solito sfocano il segnale, rendendo impossibile vederli chiaramente in una fibra solida.

Per superare questa sfocatura, i ricercatori si sono rivolti a un metodo che fa ruotare il campione a una velocità incredibile. Hanno inserito una minuscola quantità di fibre proteiche, che pesava meno di mezzo milligrammo, in un rotore realizzato da un singolo cristallo di diamante. Questo rotore di diamante è largo solo 0,7 millimetri, circa lo spessore di un capello umano. Facendo ruotare questo minuscolo contenitore di diamante a 100.000 rotazioni al secondo, i ricercatori sono stati in grado di mediare le interazioni confuse tra gli atomi di idrogeno. Questa rotazione ad alta velocità, combinata con un potente campo magnetico, ha permesso loro di vedere finalmente chiaramente gli atomi di idrogeno per la prima volta in questo specifico tipo di fibra. Utilizzando questa configurazione, hanno registrato una serie di esperimenti che tracciavano le connessioni tra gli atomi di idrogeno e gli atomi di carbonio e azoto all'interno della catena proteica.

Il risultato è un'assegnazione dettagliata dei chemical shift a livello di residuo per quasi ogni atomo di idrogeno nel nucleo rigido della fibra, che si estende dal 15° al 40° elemento costruttivo della proteina. Sono riusciti a identificare 123 segnali distinti di idrogeno, coprendo circa il 90 percento della parte centrale stabile della fibra. Sono anche riusciti a vedere sedici segnali dalla coda flessibile all'inizio della proteina, una regione che era stata difficile da osservare in precedenza perché si muove troppo per essere catturata dai metodi più vecchi. Oltre a trovare queste posizioni dell'idrogeno, i nuovi dati li hanno aiutati a localizzare diversi segnali di carbonio e azoto che mancavano dalle loro mappe precedenti, in particolare nelle catene laterali aromatiche e nel segmento N-terminale mobile. Il team ha anche identificato contatti specifici tra atomi in parti vicine della proteina, confermando che la nuova mappa si allinea perfettamente con la struttura che avevano determinato in precedenza.

Questo lavoro non si limita a colmare i dettagli mancanti; stabilisce un punto di riferimento preciso per la comunità scientifica. Poiché le fibre sono uniformi e le misurazioni sono così dettagliate, altri ricercatori possono ora utilizzare questa mappa come standard per confrontare i propri campioni. Se un laboratorio diverso coltiva fibre in condizioni leggermente diverse, può controllare i propri risultati rispetto a questo riferimento per vedere se la struttura è cambiata. Inoltre, questa mappa ad alta risoluzione degli atomi di idrogeno fornisce uno strumento sensibile per studiare come altre molecole, come gli anticorpi o potenziali farmaci, possano legarsi alla fibra. Poiché gli atomi di idrogeno sono così reattivi al loro ambiente, qualsiasi cambiamento causato da una molecola legante sarà immediatamente visibile nei dati. Fornendo questa visione chiara, residuo per residuo, della fibra amiloide, i ricercatori hanno dato al campo una base solida per comprendere come queste strutture si formano e come potrebbero essere targetizzate per trattare l'Alzheimer.