Новая техника визуализации показывает детали структуры пептидов

Инженеры из Вашингтонского университета в Сент-Луисе разработали новый метод визуализации, который позволяет ученым детально рассмотреть фибриллярные сборки — стопки пептидов, включая амилоид-бета, наиболее известный в связи с болезнью Альцгеймера.

Эти сборки с кросс-β структурой также являются полезными строительными блоками в дизайнерских биоматериалах для медицинских применений. Однако их сходство с амилоид-бета, скопления которого являются симптомом нейродегенеративных заболеваний, вызывает беспокойство. Исследователи хотят понять, как различные последовательности этих пептидов связаны с их разной токсичностью и функцией, как для природных пептидов, так и для их синтетических аналогов.

Теперь ученые могут рассмотреть фибриллярные сборки достаточно близко, чтобы увидеть заметные различия в том, как укладываются синтетические пептиды по сравнению с амилоид-бета. Эти результаты стали плодом сотрудничества Мэтью Лью, доцента электротехники и системотехники, и Джая Рудры, доцента биомедицинской инженерии, в Инженерной школе Маккелви.

"Мы конструируем микроскопы, чтобы обеспечить лучшие наномасштабные измерения и продвинуть науку вперед", — сказал Лью.

В статье, недавно опубликованной в ACS Nano, Лью и коллеги описывают, как они использовали химический зонд Nile red для подсветки кросс-β фибрилл. Их метод, называемый одномолекулярной ориентационно-локализационной микроскопией (SMOLM), использует вспышки света от Nile red для визуализации волокнистых структур, образованных синтетическими пептидами и амилоид-бета.

Главный вывод: эти сборки гораздо сложнее и гетерогеннее, чем предполагалось. Это хорошая новость, потому что она означает, что существует более одного способа безопасной укладки белков. С помощью лучших измерений и изображений фибриллярных сборок биоинженеры смогут лучше понять правила, определяющие влияние "белковой грамматики" на токсичность и биологическую функцию, что приведет к созданию более эффективных и менее токсичных терапевтических средств.

Сначала ученым нужно увидеть разницу между ними, что очень сложно из-за крошечного масштаба этих сборок.

"Спиральный изгиб этих волокон невозможно различить с помощью обычного оптического микроскопа или даже некоторых микроскопов сверхвысокого разрешения, потому что эти объекты слишком малы", — пояснил Лью.

Благодаря технологии высокоразмерной визуализации, разработанной в лаборатории Лью за последние пару лет, они смогли увидеть различия.

Обычный флуоресцентный микроскоп использует флуоресцентные молекулы как лампочки для подсветки определенных аспектов биологической цели. В этой работе они использовали один из таких зондов, Nile red, в качестве сенсора окружающей среды. Когда Nile red случайным образом исследует свое окружение и сталкивается с фибриллами, он испускает вспышки света. Измеряя их, можно определить местоположение флуоресцентного зонда и его ориентацию. На основе этих данных можно собрать полную картину, показывающую, что спроектированные фибриллы укладываются совсем иначе, чем природные, такие как амилоид-бета.

Их изображение этих фибриллярных сборок попало на обложку ACS Nano. Его создал первый автор работы Вейян Чжоу, раскрасивший изображение на основе ориентации молекул Nile red. Получившееся изображение представляет собой голубовато-красную текучую сборку пептидов, похожую на речную долину.

Исследователи планируют продолжать развивать такие методы, как SMOLM, чтобы открыть новые пути для изучения биологических структур и процессов в наномасштабе.

"Мы видим то, что нельзя увидеть с помощью существующих технологий", — сказал Лью.