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

De ziekte van Alzheimer is een verwoestende aandoening die het geheugen en de identiteit aantast en miljoenen mensen wereldwijd treft. In het hart van deze ziekte ligt een minuscuul eiwitfragment genaamd amyloïd-bèta. Onder normale omstandigheden zweven deze eiwitten ongevaarlijk rond in de vloeistof die de hersencellen omringt. Bij de ziekte van Alzheimer vouwen ze echter verkeerd en klonteren ze samen tot lange, stijve vezels die bekend staan als fibrillen. Deze fibrillen hopen zich op in de plaques die het kenmerk van de ziekte vormen. Hoewel wetenschappers al lang weten dat deze plaques bestaan, is het begrijpen van de exacte manier waarop de eiwitten op elkaar stapelen moeilijk gebleken. De eiwitten kunnen zich op veel verschillende manieren rangschikken, vergelijkbaar met een set bouwblokken die in diverse structuren kunnen worden samengesteld. Deze variëteit, of polymorfisme, maakt het moeilijk om één definitieve vorm vast te stellen, wat op zijn beurt de inspanningen om medicijnen te ontwerpen die dit proces kunnen stoppen, bemoeilijkt. Om dit op te lossen, hebben onderzoekers een manier nodig om de atomen van deze vezels met extreme helderheid te zien, waarbij ze precies in kaart brengen waar elk stukje zich bevindt ten opzichte van zijn buren.

Een team van onderzoekers heeft nu een opmerkelijk heldere kaart geleverd van één specifieke versie van deze amyloïdvezels. Ze richtten zich op een vorm van het eiwit genaamd Aβ1-40, de meest voorkomende type in de hersenen. In eerder werk had het team al een zeer uniforme steekproef van deze vezels in een laboratorium gekweekt, waardoor elke vezel er exact hetzelfde uitzag, in tegenstelling tot de rommelige mengsels die vaak in de natuur worden aangetroffen. Ze hadden eerder de atomaire structuur van deze uniforme steekproef bepaald met behulp van een techniek genaamd kernmagnetische resonantie, wat werkt als een geavanceerde scanner om de positie van atomen te detecteren. Echter, die eerdere kaart miste een cruciaal onderdeel van de puzzel: de waterstofatomen. Waterstof is het meest voorkomende atoom in deze eiwitten en is zeer gevoelig voor zijn omgeving, wat het een uitstekende indicator maakt voor hoe het eiwit met andere moleculen interageert. De uitdaging was dat waterstofatomen zo talrijk en zo dicht bij elkaar staan dat ze het signaal meestal vertroebelen, waardoor ze in een vaste vezel onmogelijk duidelijk te zien zijn.

Om deze vertroebeling te overwinnen, maakte het onderzoeksteam gebruik van een methode die de steekproef met een ongelooflijk hoge snelheid laat draaien. Ze pakten een minuscule hoeveelheid van de eiwitvezels, diegenen die minder wegen dan een halve milligram, in een rotor gemaakt van een enkele diamantkristal. Deze diamantrotor is slechts 0 than 0,7 millimeter breed, ongeveer de dikte van een menselijk haar. Door deze kleine diamantcontainer met 100.000 rotaties per seconde te laten draaien, waren de onderzoekers in staat om de verwarrende interacties tussen de waterstofatomen uit te middelen. Deze hoge draaisnelheid, gecombineerd met een krachtig magnetisch veld, stelde hen er eindelijk in staat om de waterstofatomen voor het eerst duidelijk te zien in dit specifieke type vezel. Met deze opstelling legden ze een reeks experimenten vast die de verbindingen tussen de waterstofatomen en de koolstof- en stikstofatomen binnen de eiwitketen traceerden.

Het resultaat is een gedetailleerde, residu-niveau toewijzing van de chemische verschuivingen voor bijna elk waterstofatoom in de stijve kern van de vezel, die loopt van het 15e tot het 40e bouwblok van het eiwit. Ze identificeerden succesvol 123 afzonderlijke waterstofsignalen, die ongeveer 90 procent van het stabiele, centrale deel van de vezel beslaan. Ze slaagden er ook in om zestien signalen te zien van de flexibele staart aan het begin van het eiwit, een regio die voorheen moeilijk te observeren was omdat deze te veel beweegt om door oudere methoden te worden vastgelegd. Naast het vinden van deze waterstofposities, hielp de nieuwe data hen ook om verschillende koolstof- en stikstofsignalen te lokaliseren die ontbraken in hun vorige kaarten, met name in de aromatische zijketens en het mobiele N-terminale segment. Het team identificeerde ook specifieke contacten tussen atomen in naburige delen van het eiwit, waarmee werd bevestigd dat de nieuwe kaart perfect overeenkomt met de structuur die zij eerder hadden bepaald.

Dit werk doet meer dan alleen ontbrekende details invullen; het vestigt een precies referentiepunt voor de wetenschappelijke gemeenschap. Omdat de vezels uniform zijn en de metingen zo gedetailleerd, kunnen andere onderzoekers deze kaart nu gebruiken als een standaard om hun eigen monsters mee te vergelijken. Als een ander laboratorium vezels onder iets andere omstandigheden kweekt, kunnen zij hun resultaten controleren tegenover dit referentiepunt om te zien of de structuur is veranderd. Bovendien biedt deze hoogwaardige kaart van de waterstofatomen een gevoelig instrument voor het bestuderen van hoe andere moleculen, zoals antilichamen of potentiële medicijnen, aan de vezel kunnen binden. Omdat waterstofatomen zo reactief zijn op hun omgeving, zal elke verandering veroorzaakt door een bindend molecuul onmiddellijk zichtbaar zijn in de data. Door een helder, residu-voor-residu overzicht van de amyloïdvezel te bieden, heeft het team het vakgebied een solide fundament gegeven voor het begrijpen van hoe deze structuren ontstaan en hoe ze aangepakt kunnen worden om de ziekte van Alzheimer te behandelen.