成像技术显示肽结构的新细节

圣路易斯华盛顿大学的工程师开发的一种新的成像技术可以让科学家更仔细地观察原纤维组件 – 包括β淀粉样蛋白的肽堆，最显着的是与阿尔茨海默病有关。

这些跨β原纤维组件也是用于医疗应用的设计生物材料中的有用构建块，但它们与淀粉样蛋白β表亲的相似性令人担忧，后者的缠结是神经退行性疾病的症状。研究人员希望了解这些肽的不同序列如何与它们不同的毒性和功能相关联，无论是天然存在的肽还是它们的合成工程表亲。

现在，科学家们可以足够近距离地观察原纤维组装体，发现与β淀粉样蛋白相比，合成肽的堆叠方式存在显着差异。这些结果源于主要作者、电气与系统工程副教授Matthew Lew和华盛顿大学麦凯维工程学院生物医学工程副教授Jai Rudra之间的卓有成效的合作。

“我们设计显微镜以实现更好的纳米级测量，以便科学能够向前发展，”Lew说。

在最近发表在ACS Nano上的一篇论文中，Lew及其同事概述了他们如何使用尼罗河红色化学探针来点亮跨β原纤维。他们的技术称为单分子取向定位显微镜（SMOLM），它使用尼罗河红的闪光来可视化由合成肽和β淀粉样蛋白形成的纤维结构。

底线：这些程序集比预期的要复杂得多，而且异质性要大得多。这是个好消息，因为这意味着有不止一种方法可以安全地堆叠蛋白质。通过对原纤维组件进行更好的测量和图像，生物工程师可以更好地了解决定蛋白质语法如何影响毒性和生物功能的规则，从而产生更有效、毒性更低的治疗方法。

首先，科学家需要看到它们之间的差异，这是非常具有挑战性的，因为这些组件的规模很小。

“使用光学显微镜甚至一些超分辨率显微镜都无法辨别这些纤维的螺旋扭曲，因为这些东西太小了，”卢说。

通过过去几年在Lew实验室开发的高维成像技术，他们能够看到差异。

典型的荧光显微镜使用荧光分子作为灯泡来突出生物靶标的某些方面。在这项工作中，他们使用其中一个探头，尼罗河红，作为周围事物的传感器。当尼罗河红随机探索其环境并与原纤维碰撞时，它会发出闪光，它们可以测量这些闪光以确定荧光探针的位置及其方向。从这些数据中，他们可以拼凑出工程原纤维的全貌，这些原纤维与天然原纤维（如β淀粉样蛋白）的堆叠方式非常不同。

他们的这些原纤维组件的图像制作了ACS Nano的封面，并由第一作者Weiyan 周放在一起，他根据尼罗河红指向的位置对图像进行了颜色编码。生成的图像是一个蓝色、红色的流动肽集合体，看起来像一个河谷。

他们计划继续开发SMOLM等技术，为在纳米尺度上研究生物结构和过程开辟新的途径。

“我们看到了现有技术看不到的东西，”卢说。

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周伟燕、康纳·奥尼尔、丁天本、张欧萌、Jai S Rudra和Matthew D Lew。使用单分子取向-定位显微镜解析β片肽自组装的纳米级结构。ACS Nano 2024 18（12），8798-8810：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.3c11771

这项工作得到了美国国家科学基金会（National Science Foundation）的支持，奖励号为2047517给了J.S.R.，得到了美国国立卫生研究院国家普通医学科学研究所（National Institute of General Medical Sciences of the National Institutes of Health）的支持，资助号为MDL R35GM124858。