Un nuevo método experimental permite el análisis con rayos X de los amiloides, una clase de biomoléculas filamentosas de gran tamaño que son un importante indicador de enfermedades como el Alzheimer y el Parkinson. Un equipo internacional de investigadores dirigido por científicos del DESY ha utilizado un potente láser de rayos X para obtener información sobre la estructura de diferentes muestras de amiloides. La dispersión de rayos X de las fibrillas amiloides produce patrones algo similares a los obtenidos por Rosalind Franklin a partir del ADN en 1952, lo que condujo al descubrimiento de la conocida estructura de la doble hélice. El láser de rayos X, billones de veces más intenso que el tubo de rayos X de Franklin, permite examinar fibrillas amiloides individuales, los componentes de los filamentos amiloides.
Con unos rayos X tan potentes, cualquier material extraño puede saturar la señal procedente de la muestra de fibrillas, invisiblemente pequeña. Una película ultrafina de carbono —grafeno— resolvió este problema y permitió registrar patrones extremadamente sensibles. Esto supone un paso importante hacia el estudio de moléculas individuales mediante láseres de rayos X, un objetivo que los biólogos estructurales llevan mucho tiempo persiguiendo. Los científicos presentan su nueva técnica en la revista Comunicaciones de la naturaleza.
Los amiloides son cadenas largas y ordenadas de proteínas que constan de miles de subunidades idénticas. Aunque se cree que los amiloides desempeñan un papel importante en el desarrollo de enfermedades neurodegenerativas, recientemente se han identificado cada vez más formas funcionales de amiloides.
“La endorfina, la ‘hormona del bienestar’, por ejemplo, puede formar fibrillas amiloides en la glándula pituitaria. Estas se disuelven en moléculas individuales cuando cambia la acidez de su entorno, tras lo cual estas moléculas pueden cumplir su función en el organismo”, explica Carolin Seuring, científica del Centro de Ciencia del Láser de Electrones Libres (CFEL) de DESY y autora principal del artículo. “Otras proteínas amiloides, como las que se encuentran en los cerebros post mortem de pacientes que padecen Alzheimer, se acumulan en forma de fibrillas amiloides en el cerebro y no pueden descomponerse, por lo que deterioran la función cerebral a largo plazo”.”
Los científicos están tratando de determinar la estructura espacial de los amiloides con la mayor precisión posible, con el fin de utilizar esta información para averiguar más sobre cómo funcionan las fibrillas proteicas: “Nuestro objetivo es comprender el papel de la formación y la estructura de las fibrillas amiloides en el organismo y en el desarrollo de enfermedades neurodegenerativas”, afirma Seuring al describir la motivación del equipo. “El análisis estructural de los amiloides es complejo, y su examen mediante los métodos existentes se ve dificultado por las diferencias entre las fibrillas dentro de una misma muestra”. El equipo utilizó el láser de electrones libres de rayos X LCLS del Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC en Estados Unidos.
Un problema es que las cadenas de amiloides, conocidas como fibrillas, no pueden cultivarse como cristales, que es el método habitual para realizar estudios estructurales de resolución atómica utilizando rayos X. Las fibrillas amiloides individuales tienen solo unos pocos nanómetros de grosor y, por lo tanto, suelen ser demasiado pequeñas para producir una señal medible cuando se exponen a los rayos X. Por esta razón, el enfoque habitual consiste en alinear millones de estas fibrillas en paralelo entre sí y agruparlas para que sus señales se sumen. Sin embargo, esto significa que los patrones de difracción son producidos por el conjunto completo y se pierde la información sobre las diferencias estructurales entre las fibrillas individuales.
“Gran parte de nuestro conocimiento sobre las fibrillas amiloides proviene de datos obtenidos mediante resonancia magnética nuclear (RMN) y microscopía crioelectrónica”, explica Seuring. “Sin embargo, cuando se trabaja con muestras tan heterogéneas como los amiloides, y también cuando se observa la dinámica de la formación de fibrillas, los métodos existentes llegan a sus límites”.”
Con el fin de obtener acceso a la información estructural de muestras tan heterogéneas en el futuro, el equipo optó por un nuevo enfoque experimental. En lugar de suspender los amiloides individuales en un fluido portador, como un chorro de agua, los científicos los colocaron en un portador sólido ultrafino hecho de grafeno, en el que los átomos de carbono están dispuestos en un patrón hexagonal similar a un panal atómico. “Este soporte para muestras tiene una doble ventaja”, afirma el profesor Henry Chapman, del CFEL, científico principal del DESY. “Por un lado, el grafeno es una capa de átomos de un solo espesor y, a diferencia de un fluido portador, no deja rastro en el patrón de difracción. Por otro lado, su estructura regular garantiza que todas las fibrillas proteicas se alineen en la misma dirección, al menos en los dominios más grandes”.”
Los patrones de difracción de múltiples fibrillas se superponen y se refuerzan entre sí, al igual que en un cristal, pero prácticamente no hay dispersión de fondo disruptiva como en el caso de un fluido portador. Este método permite obtener patrones de difracción a partir de menos de 50 fibrillas amiloides, de modo que las diferencias estructurales se aprecian con mayor claridad.
“Hemos observado asimetrías características en nuestros datos que sugieren que nuestra técnica podría incluso utilizarse para determinar la estructura de fibrillas individuales”, afirma Seuring.
“El instrumento CXI del LCLS proporcionó una luminosidad excepcional, nanofocus haz que nos permitió extraer datos de un número tan reducido de fibras”, informa el coautor Mengning Liang, científico del SLAC. “Las fibrillas son una tercera categoría de muestras que pueden estudiarse de esta manera con láseres de rayos X, además de las partículas individuales y los cristales. En algunos aspectos, las fibrillas se sitúan entre las otras dos: tienen variaciones regulares y recurrentes en la estructura, como los cristales, pero sin la rígida estructura cristalina”.”
Los científicos probaron su método con muestras del virus del mosaico del tabaco, también examinado por primera vez por Rosalind Franklin, y que forma filamentos de una estructura que ahora se conoce con gran detalle. De hecho, la prueba proporcionó datos estructurales sobre el virus con una precisión de 0,27 nanómetros (millonésimas de milímetro), lo que corresponde a una resolución casi a escala de un solo átomo. El examen de fibrillas amiloides claramente más pequeñas formadas por endorfina, así como de fibrillas amiloides formadas por la hormona bombesina, que interviene, entre otras cosas, en ciertos tipos de cáncer, también proporcionó cierta información estructural, con una precisión de 0,24 nanómetros. Aunque los datos eran insuficientes para calcular la estructura completa, el estudio resulta muy prometedor para la recuperación estructural cuando se disponga de más datos y abre una nueva vía para el análisis estructural de los amiloides mediante láseres de rayos X.
“Es increíble que estemos llevando a cabo experimentos muy similares a los que realizó Franklin, pero ahora alcanzando el nivel de moléculas individuales”, afirma Chapman.
Fuente: http://www.desy.de/news/news_search/index_eng.html?openDirectAnchor=1400&two_columns=0