Magnetische oppervlakken gevonden om Alzheimer’s gekoppelde eiwitgroei te sturen

Een nieuwe studie toont aan dat de manier waarop amyloïde eiwitten – geïmpliceerd bij de ziekte van Alzheimer – in fibrillen worden geassembleerd, aanzienlijk kan worden beïnvloed door de spinoriëntatie van elektronen op gemagnetiseerde oppervlakken. Afhankelijk van de richting van de magnetisatie en de chiraliteit van de bouwstenen van eiwitten, zagen onderzoekers grote verschillen in het aantal, de lengte en de structuur van de resulterende fibrillen.

Deze bevindingen suggereren dat elektronenspin, door een mechanisme dat bekend staat als chirale geïnduceerde spin-selectiviteit (CISS), een directe rol speelt in zelfassemblage van eiwitten, wijzend op een nieuwe en eerder over het hoofd gezien fysieke factor die kan worden benut om amyloïde vorming in neurodegeneratieve ziekten te regelen of te interfereren.

De studie, gepubliceerd deze week in ACS nanowerd geleid door Yael Kapon, een Ph.D. Student aan de Hebreeuwse Universiteit van Jeruzalem’s Institute of Applied Physics, onder begeleiding van Prof. Yossi Paltiel en in samenwerking met Prof. Ehud Gazit van Tel Aviv University.

Magnetische velden en amyloïde fibrillen

In het midden van het onderzoek is amyloïde-beta (Aβ₁-₄₂), een kort peptide waarvan bekend is dat het plakkerige fibrillen en plaques vormt in de hersenen van mensen met de ziekte van Alzheimer. Met behulp van gemagnetiseerde oppervlakken onderzocht het team hoe deze peptiden aggregeren en of de spinoriëntatie van het substraat – in wezen de richting waarin de elektronen worden uitgelijnd – het proces kunnen beïnvloeden.

De resultaten waren opvallend. Toen de magnetisatie van het oppervlak in één richting werd uitgelijnd, vormden de amyloïde eiwitten bijna twee keer zoveel fibrillen, sommige tot 20 keer langer, vergeleken met wanneer de magnetisatie werd omgekeerd. Het patroon omdraaide ook toen de onderzoekers een versie van het peptide gebruikten met tegengestelde chiraliteit (of moleculaire “handigheid”), wat duidt op een sterk spin-afhankelijk effect.

Dit gedrag is consistent met een fenomeen dat bekend staat als chirale geïnduceerde spin-selectiviteit (CISS), waarin chirale (asymmetrische) moleculen anders interageren met elektronen, afhankelijk van hun spin. Hoewel dit effect is onderzocht in de chemie- en materiaalwetenschap, is het pas recent begonnen met onderzocht in biologische systemen.

Inzicht in de rol van spin in de biologie

De auteurs van de studie geloven dat het samenspel tussen moleculaire chiraliteit en elektronenspin een eerder ondergewaardeerde rol zou kunnen spelen in zelfassemblage van eiwitten. Met behulp van technieken zoals elektronenmicroscopie en infraroodspectroscopie vonden ze ook dat de resulterende amyloïde structuren niet alleen in grootte en kwantiteit varieerden, maar in hun onderliggende moleculaire opstelling – afhankelijk van de richting van magnetisatie.

“We beginnen te zien dat de biologie gevoeliger kan zijn voor spin dan we dachten”, zei prof. Paltiel van de Hebreeuwse universiteit. “Ons werk laat zien dat spin-gerelateerde krachten de manier waarop eiwitten aggregeren direct kunnen beïnvloeden. Dat is een nieuwe dimensie om te overwegen bij het denken over ziekten zoals Alzheimer, waarbij de opbouw van dit soort fibrillen betrokken is.”

Prof. Gazit, een toonaangevende expert in eiwit zelfassemblage aan de Universiteit van Tel Aviv, voegde eraan toe: “Deze bevindingen voegen een nieuwe laag toe aan ons begrip van amyloïde vorming. Ze suggereren dat fysieke eigenschappen zoals elektronenspin-niet alleen biochemische interacties kunnen spelen-een zinvolle rol spelen in de manier waarop deze schadelijke structuren zich ontwikkelen. Dit opent nieuwe mogelijkheden voor het ontwerpen van proteïnegedrag in de richte en niet-inzicht.

Vooruitkijkend: applicaties en mogelijkheden

Hoewel de bevindingen nog steeds op het gebied van basisonderzoek zijn, wijzen ze op nieuwe manieren om na te denken over het beheersen van ongewenste eiwitaggregatie. Het team suggereert dat gemagnetiseerde of spin-gepolariseerde materialen-zoals speciaal ontworpen nanodeeltjes of filtratiemembranen-op een dag kunnen worden gebruikt om de vorming van schadelijke amyloïde structuren selectief te beïnvloeden of te onderbreken. Dergelijke technologieën vinden mogelijk niet alleen toepassingen bij de behandeling van neurodegeneratieve ziekten, maar ook bij het aanpakken van amyloïdose gekoppeld aan dialyse en andere medische aandoeningen.

“Deze studie geeft ons een nieuw hulpmiddel om te onderzoeken hoe eiwitten samenkomen”, zei Kapon. “We hopen dat het zal helpen om toekomstig onderzoek te begeleiden om deze processen op een gecontroleerde manier te vertragen, te voorkomen of om te leiden.”

Het onderzoek draagt bij aan een groeiend oeuvre waarin wordt onderzocht hoe fysische eigenschappen – chemische interacties van het leven – biologisch gedrag kunnen beïnvloeden. Het benadrukt ook de waarde van interdisciplinaire samenwerking, die natuurkunde, chemie en biomedicine samenbrengen.