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

알츠하이머병은 기억과 정체성을 침식하며 전 세계 수백만 명의 사람들에게 영향을 미치는 비극적인 질환입니다. 이 질병의 중심에는 아밀로이드 베타라고 불리는 아주 작은 단백질 조각이 있습니다. 정상적인 상황에서 이 단백질들은 뇌세포를 둘러싼 액체 속에 해롭지 않게 떠다닙니다. 하지만 알츠하이머병에서는 이 단백질들이 잘못 접히고 서로 뭉쳐져 피브릴(fibrils)이라고 알려진 길고 딱딱한 섬유 형태가 됩니다. 이 피브릴들은 질병의 특징인 플라크(plaques)를 형성하며 축적됩니다. 과학자들은 이러한 플라크의 존재를 오래전부터 알고 있었지만, 이 단백질들이 정확히 어떻게 쌓이는지를 이해하는 것은 어려웠습니다. 단백질은 마치 다양한 구조로 조립될 수 있는 블록 세트처럼 여러 가지 방식으로 배열될 수 있습니다. 이러한 다양성, 즉 다형성(polymorphism)은 단일하고 확정적인 모양을 특정하기 어렵게 만들며, 결과적으로 이 과정을 저지할 수 있는 약물을 설계하려는 노력을 복잡하게 만듭니다. 이를 해결하기 위해 연구자들은 이 섬유의 원자들을 극도로 선명하게 관찰하여, 모든 조각이 이웃과 어떤 관계 속에서 위치하는지를 정확히 지도화할 방법이 필요했습니다.

한 연구팀이 이제 이 특정 버전의 아밀로이드 섬유에 대한 매우 명확한 지도를 제공했습니다. 그들은 뇌에서 가장 흔하게 발견되는 유형인 Aβ1-40이라는 단백질 형태에 집중했습니다. 연구팀은 이전 연구에서 실험실 내에서 매우 균일한 샘лев의 섬유를 배양해 냈으며, 이를 통해 자연계에서 발견되는 무질서한 혼합물과 달리 모든 섬유가 정확히 동일하게 보이도록 했습니다. 그들은 이전에 핵자기공명(NMR)이라는 기술을 사용하여 이 균일한 샘플의 원자 구조를 결정한 바 있는데, 이는 원자의 위치를 감지하는 정교한 스캐너와 같은 역할을 합니다. 그러나 그 이전의 지도에는 중요한 퍼즐 조각 하나가 빠져 있었습니다. 바로 수소 원자였습니다. 수소는 이 단백질에서 가장 풍부한 원자이며 주변 환경에 매우 민end히 반응하기 때문에, 단백질이 다른 분자들과 어떻게 상호작용하는지를 보여주는 훌륭한 지표가 됩니다. 문제는 수소 원자들이 너무 많고 서로 가깝게 붙어 있어 보통 신호를 흐릿하게 만들어, 고체 섬유 내에서 이를 명확하게 관찰하는 것을 불가능하게 만든다는 점이었습니다.

이러한 흐릿함을 극복하기 위해 연구진은 샘플을 믿기 힘들 정도로 빠른 속도로 회전시키는 방법을 사용했습니다. 그들은 0.5 밀리그램도 채 되지 않는 아주 적은 양의 단백질 섬유를 단 하나의 다이아몬드 결정으로 만들어진 로터(rotor) 안에 담았습니다. 이 다이아몬드 로터의 폭은 약 0.7 밀리미터로, 대략 사람 머리카락 한 가닥의 두께와 같습니다. 연구진은 이 작은 다이아마드 용기를 초당 100,000번 회전시킴으로써 수소 원자들 사이의 혼란스러운 상호작용을 평균화할 수 있었습니다. 이 고속 회전은 강력한 자기장과 결합하여, 마침내 이 특정 유형의 섬로 내에서 수소 원자들을 처음으로 명확하게 볼 수 있게 해주었습니다. 이 설정을 사용하여 연구진은 수소 원자와 단백질 사슬 내의 탄소 및 질소 원자 사이의 연결을 추적하는 일련의 실험을 기록했습니다.

그 결과는 섬유의 딱딱한 핵심 부분인 15번째부터 40번째 빌딩 블록에 걸친 거의 모든 수소 원자에 대한 화학적 이동(chemical shifts)의 상세한 잔기 수준 할당입니다. 그들은 약 90%의 안정적인 중심부를 덮는 123개의 뚜렷한 수소 신호를 성공적으로 식별했습니다. 또한, 기존의 방법으로는 너무 많이 움직여서 포착하기 어려웠던 부분인 단백질 앞부분의 유연한 꼬리 부분에서 16개의 신호를 찾아내는 데 성공했습니다. 수소 위치를 찾는 것 외에도, 새로운 데이터는 이전 지도에서 누락되었던 여러 탄소 및 질소 신호, 특히 방향족 측쇄(aromatic side chains)와 가동성이 있는 N-말단 부위의 신호를 찾는 데 도움을 주었습니다. 연구팀은 또한 인접한 단백질 부위의 원자들 사이의 특정 접촉을 확인하였으며, 이는 새로운 지도가 이전에 결정했던 구조와 완벽하게 일치함을 입증합니다.

이 연구는 단순히 누락된 세부 사항을 채우는 것에 그치지 않고, 과학계에 정밀한 기준점을 제공합니다. 섬유가 균일하고 측정값이 매우 상세하기 때문에, 다른 연구자들은 이제 이 지도를 표준으로 삼아 자신들의 샘플을 비교할 수 있습니다. 만약 다른 실험실에서 약간 다른 조건으로 섬유를 배양한다면, 그들은 자신의 결과를 이 기준과 대조하여 구조가 변했는지 확인할 수 있습니다. 더욱이, 수소 원자에 대한 이 고해상도 지도는 항체나 잠재적인 약물과 같은 다른 분자들이 섬유에 어떻게 결합하는지를 연구하는 데 민감한 도구를 제공합니다. 수소 원자는 환경에 매우 민감하게 반응하기 때문에, 결합하는 분자에 의한 어떠한 변화도 데이터에서 즉각적으로 나타날 것입니다. 연구진은 아밀로이드 섬유에 대한 이 잔기별 상세 뷰를 제공함으로써, 이 구조가 어떻게 형성되는지 그리고 어떻게 알츠하이머병을 치료하기 위해 표적으로 삼을 수 있는지에 대한 견고한 토대를 마련해 주었습니다.