Imagen médica de rayos X de las manos

Un láser de rayos X inspecciona biomoléculas de Alzheimer y Parkinson

Un nuevo método experimental permite el análisis con rayos X de los amiloides, una clase de biomoléculas filamentosas de gran tamaño que constituyen un importante sello distintivo 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 conocer la estructura de distintas muestras de amiloides. La dispersión de rayos X de las fibrillas amiloides ofrece patrones algo similares a los obtenidos por Rosalind Franklin a partir del ADN en 1952, que condujeron 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 las fibrillas amiloides individuales, los constituyentes de los filamentos amiloides.

Con haces de rayos X tan potentes, cualquier material extraño puede saturar la señal de la muestra de fibrillas invisiblemente pequeñas. Una película ultrafina de carbono -el 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 persiguen desde hace tiempo. Los científicos presentan su nueva técnica en la revista Nature Communications.

Los amiloides son cadenas largas y ordenadas de proteínas formadas por miles de subunidades idénticas. Aunque se cree que los amiloides desempeñan un papel importante en el desarrollo de enfermedades neurodegenerativas, recientemente se han identificado formas amiloides cada vez más funcionales.

"La endorfina, la 'hormona del bienestar', por ejemplo, puede formar fibrillas amiloides en la glándula pituitaria. 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 Láser de Electrones Libres (CFEL) del DESY y autora principal del artículo. "Otras proteínas amiloides, como las que se encuentran en cerebros post-mortem de pacientes que padecen Alzheimer, se acumulan como fibrillas amiloides en el cerebro y no pueden descomponerse, por lo que perjudican la función cerebral a largo plazo".

Los científicos intentan determinar la estructura espacial de los amiloides con la mayor precisión posible, a fin de utilizar esta información para averiguar más sobre el funcionamiento de las fibrillas proteicas: "Nuestro objetivo es comprender el papel de la formación y 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 con los métodos existentes se ve dificultado por las diferencias entre las fibrillas de una misma muestra". El equipo utilizó el láser de electrones libres de rayos X LCLS del Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC de Estados Unidos.

Uno de los problemas es que los filamentos de los amiloides, conocidos como fibrillas, no pueden cultivarse como cristales, que es el método habitual para realizar estudios estructurales de resolución atómica mediante rayos X. Las fibrillas amiloides individuales sólo tienen unos pocos nanómetros de grosor y, por tanto, suelen ser demasiado pequeñas para producir una señal mensurable cuando se exponen a los rayos X. Por este motivo, el método habitual consiste en alinear millones de estas fibrillas paralelas entre sí y agruparlas de forma que sus señales se sumen. Sin embargo, esto significa que los patrones de difracción son producidos por todo el conjunto, y se pierde información sobre las diferencias estructurales entre las fibrillas individuales.

"Gran parte de nuestros conocimientos sobre las fibrillas amiloides se derivan de datos de resonancia magnética nuclear (RMN) y criomicroscopía electrónica", explica Seuring. "Sin embargo, cuando se trabaja con muestras tan heterogéneas como los amiloides, y también cuando se observa la dinámica de formación de las fibrillas, los métodos existentes alcanzan sus límites".

Para poder acceder en el futuro a información sobre la estructura de muestras tan heterogéneas, 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 soporte sólido ultrafino hecho de grafeno, en el que los átomos de carbono están dispuestos en un patrón hexagonal parecido a un panal atómico. "Este soporte de la muestra tiene una doble ventaja", afirma el profesor Henry Chapman del CFEL, científico principal del DESY. "Por un lado, el grafeno es una sola capa de átomos delgada y, en contraste con un soporte, el fluido resistente deja un rastro en el patrón de difracción. Por otro lado, su estructura regular garantiza que las fibrillas proteínicas se alineen todas en la misma dirección, al menos en los dominios más grandes."

Los patrones de difracción de múltiples fibrillas se superponen y se refuerzan mutuamente, como en un cristal, pero prácticamente no hay dispersión de fondo perturbadora como en el caso de un fluido portador. Este método permite obtener patrones de difracción de menos de 50 fibrillas amiloides, de modo que las diferencias estructurales emergen con mayor claridad.

"Hemos observado asimetrías características en nuestros datos que sugieren que nuestra técnica podría utilizarse incluso para determinar la estructura de fibrillas individuales", afirma Seuring.

"El instrumento CXI en el LCLS proporcionó una imagen excepcionalmente brillante, nanofocus que nos permitió extraer datos de un número tan pequeño de fibras", informa la coautora Mengning Liang, científica del SLAC. "Las fibrillas son una tercera categoría de muestras que pueden estudiarse de este modo con láseres de rayos X, además de las partículas individuales y los cristales. En algunos aspectos, las fibrillas encajan entre las otras dos: tienen variaciones regulares y recurrentes en la estructura como los cristales, pero sin la estructura cristalina rígida."

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 hechas de endorfina, así como de fibrillas amiloides hechas de la hormona bombesina, implicada entre otras cosas en ciertos tipos de cáncer, también proporcionó alguna 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 láser de rayos X.

"Es asombroso que estemos llevando a cabo experimentos muy similares a los de Franklin, pero alcanzando ahora el nivel de moléculas individuales", afirma Chapman.

Fuente: http://www.desy.de/news/news_search/index_eng.html?openDirectAnchor=1400&two_columns=0

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