Plus de 24 millions de personnes dans le monde souffrent de maladies neurodégénératives telles que la maladie d'Alzheimer, Parkinson ou Huntington. Les causes moléculaires de ces maladies ont jusqu'à présent été peu étudiées. Une équipe de scientifiques de l'Université de Leipzig et de l'Université technique de Dresde, ainsi que le Kurt Schwabe Institute Meinsberg, s'intéresse désormais à ces mécanismes moléculaires avec de nouvelles approches, et a développé une technique impliquant un piège thermique à molécules. Les chercheurs ont publié leurs découvertes dans Méthodes naturelles .

Les chercheurs supposent que la cause de ces maladies neurodégénératives est l'agrégation de petites molécules de protéines appelées peptides. Les peptides effectuent généralement différentes tâches dans le corps avec leur structure tridimensionnelle spéciale. Par exemple, ils agissent comme des hormones, ils sont impliqués dans le transport de substances à travers la membrane cellulaire, et ont des fonctions antibiotiques et antivirales. Cependant, lorsque les peptides se rassemblent pour former de petits agrégats ou des structures insolubles encore plus grandes appelées plaques ou amyloïdes, leur fonction d'origine est perdue, et les agrégats peptidiques peuvent être toxiques.

La façon dont les peptides individuels deviennent des agrégats plus petits et finalement des fibrilles n'est pas claire et expérimentalement difficile à observer. Même la croissance des fibrilles n'a pas été suffisamment résolue puisque presque toutes les études précédentes n'ont été réalisées que pour de grandes quantités de molécules constituées d'un mélange de peptides, agrégats et fibrilles de différentes tailles.

Les chercheurs ont proposé de nouvelles approches explicatives :« Lors de l'examen de mélanges de molécules uniques, agrégats et fibrilles pour leurs propriétés, on obtient une image de nombreux effets qui se chevauchent. Une étape importante vers une compréhension détaillée au niveau moléculaire consiste à étudier la croissance des fibrilles amyloïdes individuelles, " explique le Prof. Dr. Frank Cichos, chef de projet à l'université de Leipzig.

En utilisant leur piège thermique nouvellement développé, les chercheurs ont piégé des fibrilles individuelles dans des solutions physiologiques pendant plusieurs heures au microscope et pour la première fois, observé la croissance de la fibrille, sa rupture et la poursuite de la croissance des fragments. "Développer une technique à cet effet était une tâche délicate. Les molécules dans les liquides se déplacent régulièrement en raison de la température du liquide. Ce soi-disant mouvement brownien les fait rapidement sortir de notre champ d'observation, et nous ne pouvons observer des fibrilles individuelles que pendant un temps très court, " dit Martin Fränzl, un doctorant dans le projet.

Les chercheurs exploitent maintenant l'énergie thermique qui provoque le mouvement brownien pour piéger les fibrilles dans un petit volume. "Nous utilisons un laser pour chauffer un minuscule anneau métallique à l'intérieur duquel les agrégats sont piégés. Les différences de température qui en résultent dans la solution avec les peptides les poussent dans n'importe quelle direction que nous spécifions, " explique Tobias Thalheim, qui a travaillé avec Martin Fränzl sur les pièges thermiques. Mais le piégeage des amyloïdes ne suffit pas. Le piège à température contrôlée permet également aux scientifiques de suivre et d'analyser mathématiquement le mouvement des fibrilles. A l'aide du mouvement de rotation des fibrilles, ils ont observé le changement de taille des fibrilles jusqu'à un millionième de centimètre, et ainsi déterminé avec précision leur taux de croissance.

« Nous pouvons maintenant voir des processus qui étaient auparavant supposés, mais pour lequel il n'y avait aucune preuve expérimentale directe, " explique Cichos. Pour la croissance des fibrilles, leur casse devrait jouer un rôle important, puisqu'il double le nombre d'extrémités libres où la croissance se poursuit. Les expériences montrent que les fibrilles se brisent et forment ainsi de nouvelles pousses, qui aident les peptides à s'agréger plus rapidement. "Il y a maintenant une multitude de nouvelles expériences qui sont possibles, et nous pouvons suivre des chemins qui n'étaient pas possibles auparavant, " dit Cichos.

Prof. Dr. Michael Mertig de l'Université technique de Dresde, directeur du Kurt Schwabe Institute for Measurement and Sensor Technology e.V. Meinsberg, ajoute, "À la fois, ce travail montre l'énorme potentiel du développement de systèmes d'analyse photonique miniaturisés pour le diagnostic médical."