Mer än 24 miljoner människor världen över lider av neurodegenerativa sjukdomar som Alzheimers, Parkinsons eller Huntingtons. De molekylära orsakerna till dessa sjukdomar har hittills litet undersökts. Ett team av forskare från Leipzigs universitet och Dresdens tekniska universitet, liksom Kurt Schwabe Institute Meinsberg, undersöker nu dessa molekylära mekanismer med nya tillvägagångssätt, och har utvecklat en teknik som involverar en termisk molekylfälla. Forskarna har publicerat sina resultat i Naturmetoder .

Forskare antar att orsaken till dessa neurodegenerativa sjukdomar är aggregering av små proteinmolekyler som kallas peptider. Peptider utför vanligtvis olika uppgifter i kroppen med sin speciella tredimensionella struktur. Till exempel, de fungerar som hormoner, de är involverade i transporten av ämnen genom cellmembranet, och har antibiotiska och antivirala funktioner. Dock, när peptider går samman för att bilda små aggregat eller ännu större olösliga strukturer som kallas plack eller amyloider, deras ursprungliga funktion går förlorad, och peptidaggregat kan vara toxiska.

Sättet på vilket enskilda peptider blir mindre aggregat och slutligen fibriller är inte klart och experimentellt svårt att observera. Även tillväxten av fibriller har inte lösts tillräckligt eftersom nästan alla tidigare studier endast har utförts för stora mängder molekyler bestående av en blandning av peptider, aggregat och fibriller av olika storlekar.

Forskarna har kommit med nya förklarande tillvägagångssätt:"När man undersöker blandningar av enstaka molekyler, aggregat och fibriller för deras egenskaper, man får en bild av många överlappande effekter. Ett viktigt steg mot en detaljerad förståelse på molekylär nivå är att studera tillväxten av individuella amyloidfibriller, " förklarar Prof. Dr. Frank Cichos, projektledare vid Leipzig universitet.

Genom att använda deras nyutvecklade termiska fälla, forskarna fångade individuella fibriller i fysiologiska lösningar i flera timmar under mikroskopet och för första gången, observerade tillväxten av fibrillen, dess uppdelning och den fortsatta tillväxten av fragmenten. "Att utveckla en teknik för detta ändamål var en knepig uppgift. Molekyler i vätskor rör sig stadigt på grund av vätskans temperatur. Denna så kallade Brownska rörelse driver dem snabbt ut ur vårt observationsfält, och vi kan bara observera enskilda fibriller under en mycket kort tid, säger Martin Fränzl, en doktorand i projektet.

Forskarna utnyttjar nu den termiska energin som gör att Brownska rörelser fångar fibrillerna i en liten volym. "Vi använder en laser för att värma upp en liten metallring inuti vilken aggregaten är fångade. De resulterande temperaturskillnaderna i lösningen med peptiderna driver dem i alla riktningar som vi anger, " förklarar Tobias Thalheim, som arbetade med Martin Fränzl på värmefällorna. Men det räcker inte med att fånga amyloiderna. Den temperaturkontrollerade fällan tillåter också forskarna att spåra och matematiskt analysera fibrillernas rörelse. Med hjälp av fibrillernas rotationsrörelse, de observerade förändringen av fibrillernas storlek ner till en miljondels centimeter, och bestämde därmed exakt deras tillväxttakt.

"Vi kan nu se processer som tidigare antogs, men som det inte fanns några direkta experimentella bevis för, " förklarar Cichos. För tillväxten av fibrillerna, deras brott bör spela en viktig roll, eftersom det fördubblar antalet fria slut där tillväxten fortsätter. Experimenten visar att fibriller går sönder och bildar därmed nya groddar, som hjälper peptiderna att aggregera snabbare. "Det finns nu en mängd nya experiment som är möjliga, och vi kan följa vägar som tidigare inte var möjliga, säger Cichos.

Prof. Dr. Michael Mertig från Technical University of Dresden, direktör för Kurt Schwabe Institute for Measurement and Sensor Technology e.V. Meinsberg, lägger till, "På samma gång, detta arbete visar den enorma potentialen i utvecklingen av miniatyriserade fotoniska analyssystem för medicinsk diagnostik."