De evolutie van enkele amyloïde fibrillen tot microkristallen

Nanomechanische eigenschappen van ILQINS-fibrillen. a) AFM-hoogte, b) 3D AFM-hoogte, c) AFM-amplitude en d) AFM DMT-modulus van ILQINS-fibrillen. e) DMT-modulus van ILQINS-fibrillen uit deel (d). f) Het histogram van DMT-moduli van ILQINS-fibrillen. Credit: Geavanceerde wetenschap, doi: 10.1002 / advs.202002182

Amyloïden verwijzen naar abnormaal fibreus extracellulair en eiwitachtige afzettingen die worden aangetroffen in organen en weefsels die onoplosbare constructies vormen die resistent zijn tegen afbraak. Hun vorming kan gepaard gaan met ziekte, waarbij elke ziekte wordt gekenmerkt door een specifiek proteïne- of peptideaggregaat. De nanomechanische eigenschappen van amyloïde fibrillen en nanokristallen zijn afhankelijk van hun secundaire en quaternaire structuur en intermoleculaire geometrie. Wetenschappers hebben geavanceerde beeldvormingsmethoden gebruikt, waaronder atoomkrachtmicroscopie (AFM) om de morfologische en mechanische heterogeniteit van amyloïden te ontrafelen, hoewel het moeilijk is om een ​​volledig begrip te krijgen op basis van conventionele spectroscopische methoden.

In een recent rapport dat nu is gepubliceerd op Geavanceerde wetenschap, Jozef Adamcik en een internationaal team van onderzoekers aan de ETH Zürich, de Universiteit van Cambridge, de Universiteit van Luxemburg en de Shanghai Universiteit, demonstreerden gecombineerde nanospectroscopiemethoden met één molecuul. Ze combineerden de technieken met atomaire modellering om de structurele overgang van amyloïde fibrillen naar amyloïde microkristallen op basis van hexapeptiden op nanoschaal te begrijpen. Ze gaven de oorsprong van verstijving toe aan een verhoogd gehalte aan intermoleculaire β-plaatstructuren. De verhoogde stijfheid in Young’s moduli gecorreleerd met verhoogde dichtheid van intermoleculaire waterstofbinding en parallel β-sheet structuren om de kristallen energetisch te stabiliseren.

Amyloïden in materiaalkunde

Amyloïden zijn sterk geordende structuren die voortkomen uit eiwitten of peptiden en geassocieerd met een reeks ziekten waaronder talrijke neurodegeneratieve aandoeningen zoals de ziekte van Alzheimer, Parkinson, Creutzfeldt-Jakob en boviene spongiforme encefalopathieën. Het begrijpen van hun biofysische eigenschappen kan veel nieuwe informatie opleveren om hun vorming te remmen. In de materiaalkunde biedt het vermogen van een groot aantal peptiden en eiwitten om zichzelf te assembleren tot amyloïde structuren een methode om ze te gebruiken om nieuwe nanomaterialen te ontwikkelen voor biomedische en nanotechnologische toepassingen. Daarom willen materiaalwetenschappers graag gedetailleerde kennis verwerven van de structuur en morfologie van amyloïden in een bredere context voor toepassingen in de geneeskunde tot nanotechnologie. In dit werk, Adamcik et al. onderzocht het polymorfisme van de hexapeptidemodelsystemen en gebruikte de enkele molecuul-mogelijkheden van piekkracht kwantitatieve nanomechanische mapping atoomkrachtmicroscopie (PF-QNM-AFM) voor de analyse. De methode combineerde AFM (atomic force microscopy) en infraroodtechnieken met atomaire modellering om de nanomechanische, chemische en structurele eigenschappen van de fibril en zijn kristalvormen te bestuderen en correleren op de schaal van een enkel aggregaat.

Nanomechanische eigenschappen van IFQINS-fibrillen (F), tussenkristallen (IC) en kristallen (C). a) AFM-hoogte, b) 3D AFM-hoogte, c) AFM-amplitude en d) AFM DMT-modulus van IFQINS-fibrillen. e) DMT-modulus van IFQINS-fibrillen uit deel (d). f) Het histogram van DMT-moduli van IFQINS-fibrillen. Rode kleur komt overeen met de DMT-moduli van fibrillen, groen toont tussenliggende kristallen en blauw komt overeen met de DMT-moduli van kristallen. Credit: Geavanceerde wetenschap, doi: 10.1002 / advs.202002182

Piekkracht kwantitatieve nanomechanische mapping atoomkrachtmicroscopie (PF-QNM-AFM)

Het team analyseerde eerst ILQINS hexapeptiden (een amyloïde vormend segment) om het verschil in nanomechanische en structurele eigenschappen te begrijpen. Ze haalden de Young-moduli uit ongeveer 30 verschillende fibrillen met waarden (2-3 GPa) typisch voor amyloïde fibrillen. Ze observeerden toen nog een hexapeptide IFQINS – een ander amyloïde vormend segment, om het naast elkaar bestaan ​​van fibrillen met een structuur van rechtshandige spiraalvormige linten, rechtshandige en linkshandige gedraaide linten, tussenliggende kristallen en kristallen aan te tonen. In dit geval waren de Young-moduli anders, en lieten de onderzoekers elke structurele morfologie onderscheiden. De in rood getoonde fibrillen hadden bijvoorbeeld Young-moduli in het 2-3 GPa-bereik, net zoals fibrillen die zelf zijn geassembleerd uit ILQINS. Voor kristallen die in blauw zijn afgebeeld, lagen de moduli in het bereik van 5-6 GPa, terwijl tussenliggende kristallen die in groen werden gezien, over 2-5 GPa werden verspreid. Bovendien is het TFQINS amyloïde structuren zelf geassembleerd tot microkristallen met een klein aantal gedraaide linten, met vergelijkbare trends als IFQINS hexapeptiden. Het team verkreeg ook een gedetailleerde analyse van de Young-moduli van een fibril-naar-kristalovergang van TFQINS.

Nanomechanische eigenschappen van TFQINS-kristallen. a) AFM-hoogte, b) 3D AFM-hoogte, c) AFM-amplitude en d) AFM DMT-modulus van TFQINS-kristallen. e) DMT-modulus van TFQINS-kristallen uit deel (d). f) Het histogram van DMT-moduli van TFQINS-kristallen uit deel (e). Credit: Geavanceerde wetenschap, doi: 10.1002 / advs.202002182

Infrarood nanospectroscopie (AFM-IR)

Adamcik et al. vervolgens infrarood (IR) spectroscopie toegepast om de correlatie tussen nanomechanische eigenschappen en de chemische secundaire structuur heterogeniteit van enkele fibrillen en kristallen verder te begrijpen. Ze selecteerden de IFQINS-peptiden voor de experimenten met de AFM-IR-tool vanwege hun heterogeniteit. De wetenschappers observeerden morfologiekaarten met behulp van de techniek om het naast elkaar bestaan ​​van gedraaide fibrillen en kristallen op nanoschaal aan te tonen. Het AFM-IR-systeem maakte de spectroscopische resolutie van de amidebanden mogelijk meestal bekend als vingerafdrukken van eiwitten of peptiden. De wetenschappers onderzochten de subtiele structurele veranderingen tijdens de overgang van het fibrillaire naar het intermediaire kristal naar de kristaltoestand, om een ​​netto toename van het intermoleculaire parallelle β-vel-gehalte en een lichte toename van de antiparallelle β-vel-conformatie aan te geven. Het team schreef de uitkomst toe aan de verhoogde Young-modulus van de fibril naar de kristaltoestanden, waar de IR-spectroscopiemethode en AFM-inspringing een samenvatting gaven van de organisatie op atomaire schaal.

Atomaire simulaties

De onderzoekers voerden vervolgens atomistische simulaties uit van het indentatieproces om de veranderingen in de eigenschappen van het amyloïde materiaal na het verwerven van de kristalachtige volgorde verder te onderzoeken. Ze gebruikten ILQINS-peptiden voor deze simulaties om versies van dikke en dunne amyloïde modellen te begrijpen. De dunne structuur had een minder compacte ruggengraat in vergelijking met de dikke structuur. De kristalmoduli van de Young overtroffen die van gedraaide amyloïden met 3,6 GPa om aan te tonen dat de volgorde van kristallen groter is dan die van fibrillen, net als bij experimentele inkepingen. Alles bij elkaar lieten de resultaten zien dat de overgang van fibril naar kristal in amyloïde verband houdt met een verhoogde intermoleculaire β-sheet en waterstofbinding, wat resulteerde in de verschuiving van de amide I-band naar lagere trillingsfrequenties. Door deze verschuiving kon de kristalstructuur stabiel worden op basis van vibrerende entropie en langeafstandsvolgorde van H-obligaties. Het werk leverde een duidelijk proces op van fibril-naar-kristalovergangen om uitzonderlijk stabiele amyloïde-achtige kristallen te vormen.

Nanomechanische eigenschappen van TFQINS fibril / kristalovergang. a) AFM DMT-modulus van TFQINS-kristal. b) DMT-modulus van het TFQINS-kristal uit deel (a). c) AFM DMT-modulus van TFQINS-kristal rood, groen of blauw getint door het toegewezen gebied. d) Het histogram van DMT-moduli van TFQINS-kristallen. Rode en groene kleuren geven respectievelijk gedraaide of platte secties van het fibril / kristal overgangsgebied aan; blauw komt overeen met het kristalgebied. Credit: Geavanceerde wetenschap, doi: 10.1002 / advs.202002182

Outlook

Op deze manier combineerden Jozef Adamcik en zijn collega’s atomaire-krachtmicroscopie-beeldvorming met één molecuul, nano-indentatie en chemische spectroscopie op nanoschaal met atomaire modellering om de nanomechanische en vibratie-eigenschappen van amyloïde polymorfen te begrijpen. Ze observeerden de overgang van fibrillen naar microkristallen en onderzochten een reeks hexapeptidefragmenten (waaronder ILQINS, IFQINS en TFQINS). De amyloïde fibrillen en microkristallen vertoonden verschillende Young’s moduli, waarbij de amyloïde kristallen grotere waarden hadden vanwege de hogere dichtheid en volgorde van intermoleculaire β-platen in de microkristallen architecturen. Het werk leverde een ongekende kaart op van de atomistische, mesoscopische en vibratie-eigenschappen van het amyloïde-aggregaat om de moleculaire oorsprong van de thermodynamisch stabiele amyloïde kristallen uit te werken voor toepassingen in de materiaalwetenschap tot de nanogeneeskunde.