Новое исследование показывает, что на сборку амилоидных белков, связанных с болезнью Альцгеймера, в фибриллы может существенно влиять ориентация спина электронов на намагниченных поверхностях. В зависимости от направления намагничивания и хиральности белковых строительных блоков исследователи наблюдали значительные различия в количестве, длине и структуре образующихся фибрилл.
Результаты исследования
Эти данные свидетельствуют о том, что спин электронов через механизм, известный как хиральная индуцированная спиновая селективность (Chiral-Induced Spin Selectivity, CISS), играет прямую роль в самосборке белков, указывая на новый и ранее упускаемый из виду физический фактор, который можно использовать для контроля или вмешательства в формирование амилоидов при нейродегенеративных заболеваниях.
Исследование опубликовано
Исследование, [опубликованное](https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.5c06285) на этой неделе в ACS Nano, было проведено под руководством Яэль Капон, аспирантки Института прикладной физики Еврейского университета в Иерусалиме, под руководством профессора Йосси Палтиеля и в сотрудничестве с профессором Эхудом Газитом из Тель-Авивского университета.
Центр исследования
В центре исследования находится бета-амилоид (Aβ₁–₄₂) — короткий пептид, который, как известно, образует липкие фибриллы и бляшки в мозге людей с болезнью Альцгеймера. Используя намагниченные поверхности, команда исследовала, как эти пептиды агрегируют, и выяснила, может ли ориентация спина субстрата — по сути, направление, в котором выровнены электроны — влиять на этот процесс.
Результаты
Результаты были поразительными. Когда намагниченность поверхности была выровнена в одном направлении, амилоидные белки формировали почти вдвое больше фибрилл, некоторые из которых были в 20 раз длиннее, по сравнению с тем, когда намагниченность была изменена на противоположную. Структура также менялась, когда исследователи использовали версию пептида с противоположной хиральностью (или молекулярной «ручностью»), что указывает на сильный спин-зависимый эффект.
Эти явления согласуются с феноменом, известным как хиральная индуцированная спиновая селективность (CISS), при котором хиральные (асимметричные) молекулы взаимодействуют с электронами по-разному в зависимости от их спина. Хотя этот эффект изучался в химии и материаловедении, его только недавно начали исследовать в биологических системах.
Авторы исследования считают, что взаимодействие между молекулярной хиральностью и спином электронов может играть ранее недооценённую роль в самосборке белков. Используя такие методы, как электронная микроскопия и инфракрасная спектроскопия, они также обнаружили, что полученные амилоидные структуры различаются не только по размеру и количеству, но и по своему молекулярному строению — опять же в зависимости от направления намагничивания.
«Мы начинаем понимать, что биология может быть более чувствительной к спину, чем мы думали», — сказал профессор Палтиель из Еврейского университета. «Наша работа показывает, что спин-зависимые силы могут напрямую влиять на то, как белки агрегируют. Это новое измерение, которое необходимо учитывать при размышлениях о таких заболеваниях, как болезнь Альцгеймера, при которых происходит накопление подобных фибрилл».
Профессор Газит, ведущий эксперт по самосборке белков в Тель-Авивском университете, добавил: «Эти результаты добавляют новый уровень к нашему пониманию формирования амилоидов. Они предполагают, что физические свойства, такие как спин электронов, а не только биохимические взаимодействия, могут играть значимую роль в развитии этих вредных структур. Это открывает новые возможности для разработки технологий, которые влияют на поведение белков целенаправленно и неинвазивно».
Хотя результаты всё ещё находятся в сфере фундаментальных исследований, они указывают на новые способы мышления о том, как контролировать нежелательную агрегацию белков. Команда предполагает, что намагниченные или спин-поляризованные материалы, такие как специально разработанные наночастицы или фильтрационные мембраны, однажды могут быть использованы для избирательного влияния на формирование вредных амилоидных структур или их прерывания. Такие технологии могут найти применение не только в лечении нейродегенеративных заболеваний, но и в борьбе с амилоидозом, связанным с диализом и другими медицинскими состояниями.
«Это исследование даёт нам новый инструмент для изучения того, как белки объединяются», — сказала Капон. «Мы надеемся, что это поможет направить будущие исследования на поиск способов замедления, предотвращения или перенаправления этих процессов контролируемым образом».
Исследование дополняет растущий объём работ, изучающих, как физические свойства — помимо химических взаимодействий — могут влиять на биологическое поведение. Оно также подчёркивает ценность междисциплинарного сотрудничества, объединяющего физику, химию и биомедицину.
Предоставлено Еврейским университетом в Иерусалиме.