Les amyloïdes font référence à des dépôts fibreux extracellulaires et protéiques anormaux trouvés dans les organes et les tissus qui forment des constructions insolubles résistantes à la dégradation. Leur formation peut accompagner la maladie, où chaque maladie est caractérisée par une protéine ou un agrégat peptidique spécifique. Les propriétés nanomécaniques des fibrilles amyloïdes et des nanocristaux dépendent de leur structure secondaire et quaternaire et de leur géométrie intermoléculaire. Les scientifiques ont utilisé des méthodes d'imagerie avancées, notamment la microscopie à force atomique (AFM) pour démêler l'hétérogénéité morphologique et mécanique des amyloïdes, bien qu'il soit difficile d'obtenir une compréhension complète sur la base des méthodes spectroscopiques conventionnelles.

Dans un récent rapport maintenant publié sur Sciences avancées , Jozef Adamcik et une équipe internationale de chercheurs de l'ETH Zurich, l'Université de Cambridge, l'Université du Luxembourg et l'Université de Shanghai, ont démontré des méthodes combinées de nanospectroscopie à molécule unique. Ils ont combiné les techniques avec la modélisation atomique pour comprendre la transition structurelle des fibrilles amyloïdes en microcristaux amyloïdes à base d'hexapeptides à l'échelle nanométrique. Ils ont attribué l'origine du raidissement à une teneur accrue en structures intermoléculaires de feuillets β. La rigidité accrue des modules de Young était en corrélation avec une densité accrue de liaisons hydrogène intermoléculaires et des structures parallèles en feuillets pour stabiliser énergétiquement les cristaux.

Amyloïdes en science des matériaux

Les amyloïdes sont des structures hautement ordonnées provenant de protéines ou de peptides et associées à une gamme de maladies, y compris de nombreux troubles neurodégénératifs tels que la maladie d'Alzheimer, Parkinson, maladies de Creutzfeldt-Jakob, et les encéphalopathies spongiformes bovines. Comprendre leurs propriétés biophysiques peut fournir de nombreuses informations nouvelles pour inhiber leur formation. En science des matériaux, cependant, la capacité d'un grand nombre de peptides et de protéines à s'auto-assembler en structures amyloïdes ouvre une méthode pour les utiliser pour développer de nouveaux nanomatériaux pour des applications biomédicales et nanotechnologiques. Par conséquent, les scientifiques des matériaux souhaitent acquérir une connaissance détaillée de la structure et de la morphologie des amyloïdes dans un contexte plus large pour des applications allant de la médecine à la nanotechnologie. Dans ce travail, Adamcik et al. ont examiné le polymorphisme des systèmes modèles hexapeptidiques et utilisé les capacités de molécule unique de la microscopie à force atomique de cartographie nanomécanique quantitative de pointe (PF-QNM-AFM) pour l'analyse. La méthode combinait AFM (microscopie à force atomique) et techniques infrarouges avec modélisation atomique pour étudier et corréler la nanomécanique, propriétés chimiques et structurelles de la fibrille et de ses formes cristallines à l'échelle d'un seul agrégat.

Microscopie à force atomique à cartographie nanomécanique quantitative de force maximale (PF-QNM-AFM)

L'équipe a d'abord analysé les hexapeptides ILQINS (un segment de formation d'amyloïde) individuellement pour comprendre la différence de propriétés nanomécaniques et structurelles. Ils ont extrait les modules de Young d'environ 30 fibrilles différentes avec des valeurs (2-3 GPa) typiques des fibrilles amyloïdes. Ils ont ensuite observé un autre IFQINS hexapeptide - un autre segment de formation d'amyloïde, montrer la coexistence de fibrilles avec une structure de rubans hélicoïdaux droitiers, rubans torsadés droitiers et gauchers, cristaux intermédiaires et cristaux. Dans ce cas, les modules de Young étaient différents, et a permis aux chercheurs de distinguer chaque morphologie structurale. Par exemple, les fibrilles montrées en rouge avaient des modules de Young dans la gamme 2-3 GPa tout comme les fibrilles auto-assemblées à partir d'ILQINS. Pour les cristaux représentés en bleu, les modules étaient de l'ordre de 5-6 GPa, tandis que les cristaux intermédiaires vus en vert étaient répartis sur 2 à 5 GPa. En outre, les structures amyloïdes TFQINS auto-assemblées en microcristaux avec un petit nombre de rubans torsadés, avec des tendances similaires à celles des hexapeptides IFQINS. L'équipe a également obtenu une analyse détaillée des modules de Young d'une transition fibrille-cristal de TFQINS.

Nanospectroscopie infrarouge (AFM-IR)

Adamcik et al. puis appliqué la spectroscopie infrarouge (IR) pour mieux comprendre la corrélation entre les propriétés nanomécaniques et l'hétérogénéité de la structure chimique secondaire des fibrilles et des cristaux uniques. Ils ont sélectionné les peptides IFQINS pour les expériences avec l'outil AFM-IR en raison de son hétérogénéité. Les scientifiques ont observé des cartes morphologiques en utilisant la technique pour montrer la coexistence de fibrilles et de cristaux torsadés à l'échelle nanométrique. Le système AFM-IR a permis la résolution spectroscopique des bandes amides qui sont généralement connues sous le nom d'empreintes digitales de protéines ou de peptides. Les scientifiques ont étudié les changements structurels subtils au cours de la transition de l'état fibrillaire au cristal intermédiaire à l'état cristallin, pour indiquer une nette augmentation de la teneur en feuillets parallèles intermoléculaires et une légère augmentation de la conformation des feuillets antiparallèles. L'équipe a attribué le résultat à l'augmentation du module de Young de la fibrille aux états cristallins, où la méthode de spectroscopie IR et l'indentation AFM ont fourni un résumé de l'organisation à l'échelle atomique.

Simulations atomiques

Les chercheurs ont ensuite effectué des simulations atomistiques du processus d'indentation pour approfondir l'étude des changements dans les propriétés du matériau amyloïde après avoir acquis l'ordre cristallin. Ils ont utilisé les peptides ILQINS pour ces simulations afin de comprendre les versions des modèles amyloïdes épais et minces. La structure mince avait une épine dorsale moins compacte par rapport à la structure épaisse. Les modules de Young des cristaux ont dépassé ceux des amyloïdes torsadés de 3,6 GPa pour montrer que l'ordre des cristaux est supérieur à celui des fibrilles, un peu comme avec l'indentation expérimentale. Pris ensemble, les résultats ont montré que la transition fibrille-cristal dans l'amyloïde était associée à une augmentation du feuillet β intermoléculaire et à une liaison hydrogène qui a entraîné le déplacement de la bande amide I vers des fréquences vibrationnelles plus basses. Ce changement a permis à la structure cristalline de devenir stable sur la base de l'entropie vibrationnelle et de l'ordre à longue distance des liaisons H. Le travail a fourni un processus clair de transitions fibrilles-cristaux pour former des cristaux de type amyloïde exceptionnellement stables.

Perspectives

De cette façon, Jozef Adamcik et ses collègues ont combiné l'imagerie par microscopie à force atomique à molécule unique, nanoindentation et spectroscopie chimique à l'échelle nanométrique avec modélisation atomique pour comprendre les propriétés nanomécaniques et vibrationnelles des polymorphes amyloïdes. Ils ont observé la transition des fibrilles aux microcristaux et ont étudié une série de fragments hexapeptidiques (dont ILQINS, IFQINS, et TFQINS). Les fibrilles amyloïdes et les microcristaux ont montré des modules de Young différents, où les cristaux amyloïdes avaient des valeurs plus élevées en raison de la densité et de l'ordre plus élevés des feuillets β intermoléculaires dans les architectures des microcristaux. Le travail a fourni une carte sans précédent de l'atomistique, mésoscopique, et les propriétés vibrationnelles de l'agrégat amyloïde pour élaborer les origines moléculaires des cristaux amyloïdes thermodynamiquement stables pour des applications allant de la science des matériaux à la nanomédecine.

© 2020 Réseau Science X