Neurodegenerativa sjukdomar som Alzheimers sjukdom eller Parkinsons sjukdom orsakas av veckningsfel (felveckning) i proteiner eller peptider, d.v.s. av förändringar i deras rumsliga struktur. Detta är resultatet av små avvikelser i biomolekylernas kemiska sammansättning. Forskare vid Karlsruhe Institute of Technology (KIT) har utvecklat en enkel och effektiv metod för att upptäcka sådan felveckning i ett tidigt skede av sjukdomen. Felveckning avslöjas av strukturen hos torkade rester från protein- och peptidlösningar. Metoden går ut på att analysera mikrofotografier med neurala nätverk och har en prediktiv noggrannhet på mer än 99 %. Resultaten har publicerats i Advanced Materials .

Den biokemiska strukturen hos proteiner och peptider bestämmer deras biologiska funktioner. Mycket tyder på att även små strukturella eller rumsliga förändringar kan främja utvecklingen av sjukdomar. Många neurodegenerativa sjukdomar har tillskrivits felveckning av proteiner och peptider som orsakas av sådana förändringar. Amyloid beta (Aβ42) peptider spelar en nyckelroll i Alzheimers sjukdom; de skiljer sig i en enda aminosyrarest och representerar ärftliga mutanter av Alzheimers sjukdom.

Hittills har det inte funnits en enkel och korrekt metod för att förutsäga mutationer i proteiner. Vid KIT:s Institute of Functional Interfaces (IFG) har en forskargrupp under ledning av professor Jörg Lahann utvecklat en metod för att upptäcka felveckning via strukturen av torkade protein- och peptidlösningar. "Fläckmönstren var inte bara karakteristiska och reproducerbara utan resulterade också i en klassificering av åtta mutationer med en prediktiv noggrannhet på mer än 99%", sa Lahann, författare till studien, när han beskrev resultaten. Gruppen visade att avgörande information om de primära och sekundära strukturerna hos peptider kan hämtas från fläckarna som lämnats efter genom att torka droppar av peptidlösning på en fast yta.

Fläckmönster som exakta peptidfingeravtryck

Protein- och peptidlösningarna placeras exakt på objektglas av ett automatiskt pipetteringssystem för att säkerställa kontrollerade och reproducerbara resultat. Ytorna på objektglasen preparerades i förväg med en hydrofob polymerbeläggning. För att analysera de komplexa fläckmönstren från de torkade dropparna, förvärvade forskarna bilder med hjälp av polarisationsmikroskopi. Bilderna analyserades sedan med djuplärande neurala nätverk.

"Eftersom strukturerna är väldigt lika och svåra att urskilja med blotta ögat var det definitivt en överraskning att de neurala nätverken var så effektiva", säger Lahann om resultaten. "Fläckmönstren för amyloid beta-peptider fungerar som exakta fingeravtryck som återspeglar den strukturella och rumsliga identiteten hos en peptid." Denna teknologi möjliggör identifiering av Alzheimer-varianter med maximal upplösning inom några minuter, enligt Lahann.

Enkel provberedning ger snabba diagnoser

Resultaten tyder på att en metod så enkel som att torka en droppe peptidlösning på en fast yta kan fungera som en indikator för små skillnader i peptidernas primära och sekundära strukturer. "Skalbara och exakta detektionsmetoder för stratifiering av konformationella och strukturella proteinförändringar behövs akut för att avkoda patologiska signaturer av sjukdomar som Alzheimers och Parkinsons", säger Lahann.

Det är också en relativt enkel metod som inte kräver någon omfattande förberedelse av prover och därmed möjliggör enkel och patientvänlig diagnos. Vidare har metoden stor potential för andra tillämpningar inom medicinsk diagnostik och vid molekylär detektion av sjukdomar. + Utforska vidare

Masspektrometri för att detektera nyckelmarkörer för Alzheimers