Une nouvelle méthode expérimentale permet l'analyse aux rayons X des amyloïdes, une classe de grande, biomolécules filamenteuses qui sont une caractéristique importante de maladies telles que la maladie d'Alzheimer et la maladie de Parkinson. Une équipe internationale de chercheurs dirigée par des scientifiques de DESY a utilisé un puissant laser à rayons X pour mieux comprendre la structure de différents échantillons d'amyloïde. La diffusion des rayons X des fibrilles amyloïdes donne des motifs quelque peu similaires à ceux obtenus par Rosalind Franklin à partir de l'ADN en 1952, qui a conduit à la découverte de la structure bien connue, la double hélice.
Le laser à rayons X, des milliards de fois plus intense que le tube à rayons X de Franklin, ouvre la possibilité d'examiner les fibrilles amyloïdes individuelles, les constituants des filaments amyloïdes. Avec des faisceaux de rayons X aussi puissants, toute matière étrangère peut submerger le signal de l'échantillon de fibrilles invisiblement petit. Un film de carbone ultrafin, le graphène, a résolu ce problème pour permettre l'enregistrement de motifs extrêmement sensibles. Cela marque une étape importante vers l'étude de molécules individuelles à l'aide de lasers à rayons X, un objectif que les biologistes structurels poursuivent depuis longtemps. Les scientifiques présentent leur nouvelle technique dans la revue Communication Nature .
Les amyloïdes sont longs, brins ordonnés de protéines qui se composent de milliers de sous-unités identiques. Alors que les amyloïdes sont censés jouer un rôle majeur dans le développement des maladies neurodégénératives, récemment, de plus en plus de formes amyloïdes fonctionnelles ont été identifiées. "L'endorphine 'l'hormone du bien-être', par exemple, peut former des fibrilles amyloïdes dans l'hypophyse. Ils se dissolvent en molécules individuelles lorsque l'acidité de leur environnement change, après quoi ces molécules peuvent remplir leur fonction dans le corps, " explique Carolin Seuring de DESY, un scientifique du Center for Free-Electron Laser Science (CFEL) et le principal auteur de l'article. "D'autres protéines amyloïdes, tels que ceux retrouvés dans le cerveau post-mortem de patients atteints de la maladie d'Alzheimer, s'accumulent sous forme de fibrilles amyloïdes dans le cerveau, et ne peut pas être décomposé et donc altérer le fonctionnement du cerveau à long terme."
Les scientifiques essaient de déterminer la structure spatiale des amyloïdes aussi précisément que possible, afin d'utiliser ces informations afin d'en savoir plus sur le fonctionnement des fibrilles protéiques :« Notre objectif est de comprendre le rôle de la formation et de la structure des fibrilles amyloïdes dans l'organisme et dans le développement des maladies neurodégénératives, " explique Seuring en décrivant la motivation de l'équipe. " L'analyse structurelle des amyloïdes est complexe, et leur examen à l'aide des méthodes existantes est entravé par les différences entre les fibrilles au sein d'un même échantillon. » L'équipe a utilisé le laser à rayons X à électrons libres LCLS au SLAC National Accelerator Center aux États-Unis.
Un problème est que les brins d'amyloïdes, connu sous le nom de fibrilles, ne peut pas être cultivé sous forme de cristaux, qui est la méthode habituelle pour effectuer des études structurelles à résolution atomique à l'aide de rayons X. Les fibrilles amyloïdes individuelles n'ont que quelques nanomètres d'épaisseur et sont donc généralement trop petites pour produire un signal mesurable lorsqu'elles sont exposées aux rayons X. Pour cette raison, l'approche habituelle consiste à aligner des millions de ces fibrilles parallèlement les unes aux autres, et les regrouper pour que leurs signaux s'additionnent. Cependant, cela signifie que les motifs de diffraction sont produits par l'ensemble entier, et les informations sur les différences structurelles entre les fibrilles individuelles sont perdues. "Une grande partie de notre compréhension des fibrilles amyloïdes est dérivée des données de résonance magnétique nucléaire (RMN) et de cryo-microscopie électronique, " explique Seuring. " Lorsque vous travaillez avec des échantillons aussi hétérogènes que des amyloïdes, bien que, et aussi lors de l'observation de la dynamique de formation des fibrilles, les méthodes existantes atteignent leurs limites."
Afin d'accéder aux informations de structure de ces échantillons hétérogènes à l'avenir, l'équipe a opté pour une nouvelle approche expérimentale. Au lieu de suspendre les amyloïdes individuels dans un fluide porteur, les scientifiques l'ont placé sur un support solide ultrafin en graphène, dans lequel les atomes de carbone sont disposés selon un motif hexagonal un peu comme un nid d'abeilles atomique. "Cet exemple de support a un double avantage, " déclare le professeur Henry Chapman du CFEL, qui est un scientifique principal à DESY. "Pour une chose, Le graphène n'est qu'une couche mince d'atomes et, contrairement à un fluide porteur, il laisse une trace dans le schéma de diffraction. Pour autre chose, sa structure régulière garantit que les fibrilles protéiques s'alignent toutes dans la même direction, au moins dans des domaines plus larges. un peu comme dans un cristal, mais il n'y a pratiquement pas de diffusion de fond perturbatrice comme dans le cas d'un fluide porteur. Cette méthode permet d'obtenir des diagrammes de diffraction à partir de moins de 50 fibrilles amyloïdes, de sorte que les différences structurelles apparaissent plus clairement. "Nous avons observé des asymétries caractéristiques dans nos données qui suggèrent que notre technique pourrait même être utilisée pour déterminer la structure de fibrilles individuelles, " dit Seuring.
« L'instrument CXI du LCLS a fourni un son exceptionnellement lumineux, faisceau nanofocal qui nous a permis d'extraire des données d'un si petit nombre de fibres, " rapporte le co-auteur Mengning Liang, un scientifique au SLAC. "Les fibrilles sont une troisième catégorie d'échantillons qui peuvent être étudiés de cette façon avec des lasers à rayons X, en plus des particules simples et des cristaux. A certains égards, les fibrilles s'emboîtent entre les deux autres :elles ont des des variations récurrentes de structure comme des cristaux, mais sans la structure cristalline rigide."
Les scientifiques ont testé leur méthode sur des échantillons du virus de la mosaïque du tabac, également examiné pour la première fois par Rosalind Franklin, et qui forme des filaments d'une structure maintenant connue dans ses moindres détails. Le test a en fait fourni des données structurelles sur le virus avec une précision de 0,27 nanomètre (millionième de millimètre) - correspondant à une résolution presque à l'échelle d'un seul atome. L'examen de fibrilles amyloïdes nettement plus petites constituées d'endorphine ainsi que de fibrilles amyloïdes constituées de l'hormone bombésine, qui est impliqué entre autres dans certains types de cancer, a également fourni des informations structurelles, avec une précision de 0,24 nanomètre. Bien que les données soient insuffisantes pour calculer la structure complète, l'étude est très prometteuse pour la récupération structurelle lorsque davantage de données seront disponibles, et ouvre une nouvelle voie pour l'analyse structurale des amyloïdes à l'aide de lasers à rayons X. "C'est incroyable que nous menions des expériences très similaires à celles de Franklin, mais atteignent maintenant le niveau de molécules simples, " dit Chapman.
