Microscopia inovadora revela arquitetura amiloide e pode fornecer insights sobre doenças neurodegenerativas

Agregados de beta-amiloide (A-beta) são emaranhados de proteínas mais notavelmente associados a doenças neurodegenerativas, como Alzheimer. Apesar de sua constante presença no centro das atenções, no entanto, os pesquisadores não conseguiram obter uma boa compreensão de como o A-beta se junta e se separa.

“A maneira como A-beta se comporta em uma variedade de ambientes, incluindo o cérebro humano, é elusiva”, disse Brian Sun, um ex-aluno de sistemas elétricos e engenharia da Washington University em St. Louis, que agora é um aluno de MD/PhD na School of Medicine. “Há uma compreensão do crescimento e da decadência que não está totalmente desenvolvida.”

Isso vai mudar, graças a uma pesquisa publicada recentemente em Letras Nano por Sun com colegas do laboratório de Matthew Lew no Departamento Preston M. Green de Engenharia Elétrica e de Sistemas da Escola de Engenharia McKelvey da WashU.

Em um trabalho pioneiro, Sun e colegas conseguiram medir conjuntos de folhas beta de fibrilas amiloides, as vigas subjacentes do conglomerado de proteínas, enquanto elas estavam mudando. Estudos anteriores de microscopia de alta resolução só obtiveram fotos estáticas.

“Queríamos observar especificamente a dinâmica da estrutura subjacente do A-beta, que poderia ser responsável pelas mudanças que estamos observando, não apenas mudanças na forma geral”, disse Sun, o primeiro autor do artigo.

Lew usou peças de Lego em uma analogia, observando que a tecnologia de imagem atual mostra o edifício Lego completo, mas não mostra como as peças individuais são organizadas.

“As proteínas individuais estão sempre mudando em resposta ao seu ambiente”, disse o Professor Associado Lew. “É como ter certos tijolos de Lego fazendo com que outros tijolos mudem de forma. A arquitetura mutável das proteínas e os agregados montados juntos levam à complexidade da doença neurodegenerativa.”

O laboratório Lew desenvolveu um novo tipo de tecnologia de imagem que permite aos pesquisadores ver a orientação e outros detalhes minuciosos em nanoestruturas de sistemas biológicos que antes eram invisíveis. Sua técnica — microscopia de orientação-localização de molécula única (SMOLM) — usa flashes de luz de sondas químicas para visualizar as folhas de peptídeos subjacentes ao Aβ42, um tipo de peptídeo A-beta.

O uso do SMOLM permite que eles observem a orientação individual das folhas beta subjacentes para ver a relação entre sua organização e como isso se relaciona com a estrutura geral da proteína amiloide.

Várias maneiras de remodelar

Aβ42 está mudando constantemente, e o primeiro passo é tentar encontrar um método para essa loucura, um modelo ou padrão de ação para prever o comportamento da proteína.

Agora que o laboratório Lew pode fazer essas medições, eles fizeram algumas observações intuitivas e encontraram algumas surpresas escondidas na arquitetura beta-amiloide.

Como esperado, estruturas estáveis ​​de Aβ42 tendem a reter folhas beta subjacentes estáveis; estruturas em crescimento têm folhas beta subjacentes que se tornam mais definidas e rígidas conforme o crescimento continua. Estruturas em decadência exibem folhas beta cada vez mais desordenadas e menos rígidas. Mas eles também encontraram mais de uma maneira pela qual Aβ42 pode se renovar.

“Existem várias maneiras diferentes para as estruturas Aβ42 permanecerem estáveis ​​ou crescerem e decaírem”, disse Sun.

Os pesquisadores também descobriram que Aβ42 pode crescer e decair de maneiras que desafiam as expectativas. Por exemplo, Aβ42 pode crescer e decair de maneiras que preservam a estrutura subjacente; às vezes há crescimento onde os peptídeos apenas se acumulam, mas as orientações da folha beta subjacente não mudam. Em outros casos, Aβ42 passa por “decaimento estável”, onde o oposto acontece, ou seja, os peptídeos saem, mas a estrutura da folha beta permanece.

Finalmente, as folhas beta de Aβ42 às vezes se reorganizam e mudam de orientação sem mudanças imediatas de acompanhamento na forma geral. Essas reorganizações nanoestruturais podem predispor a futuras remodelações em larga escala.

“Como o SMOLM pode rastrear a organização subjacente do Aβ42 e não apenas sua forma, podemos ver diferentes tipos de subtipos de remodelação que não são visíveis em modalidades de imagem não orientadas e limitadas por difração”, disse Sun.

Se tudo isso parece um pouco vago, tenha em mente que esta é a primeira tentativa de sequer olhar para essas estruturas em nanoescala em constante mudança. É ainda mais notável que Sun tenha criado este trabalho enquanto fazia malabarismos com as restrições de bloqueio da COVID-19 e sua carga horária de graduação na WashU, que ele concluiu em três anos. Isso abre caminho para que ele e outros realmente entendam a arquitetura amiloide.

Durante a fase de pós-graduação de seu treinamento de MD/Ph.D., Sun planeja projetar sistemas de imagem em nanoescala e sensores que possam revelar os mecanismos ocultos de doenças difíceis de tratar.

Sun dá créditos à McKelvey Engineering e ao laboratório Lew pelo treinamento rigoroso que tornou esse estudo e trajetória acadêmica possíveis, bem como ao MSTP por apoiar sua pesquisa contínua após a graduação. “Estou muito feliz por ter passado por essa jornada”, disse ele.