Alzheimers sjukdom beror på en dysfunktionell stapling av proteinmolekyler som bildar långa fibrer inuti hjärnceller. Liknande stapling förekommer vid sicklecellanemi och galna ko-sjuka.

Forskare vet att dessa ordnade fibrer utvecklas från en mängd olika molekyler, men kan det finnas en vanlig orsak till att de bildas?

I ny forskning, fysiker vid University of Chicago och Université Paris-Saclay föreslår att sådana proteinfibrer är en manifestation av en allmän fysikalisk princip. Och den principen ger möjlighet till nya mediciner och verktyg för att konstruera önskvärda proteinstrukturer. Resultaten publicerades tidigare denna månad i Naturfysik .

"Vi har starka bevis för att det finns en princip som formar hur saker samlas som kan användas både för att förstå sjukdomar och modifiera den och för att få saker att montera sig själv på ett sätt som vi dikterar, " sa medförfattaren Thomas Witten, Homer J. Livingston professor emeritus i fysik vid UChicago.

Proteiner samlas hela tiden. Men för det mesta gör de amorfa klumpar som liknar dem i äggdropsoppa. "Vi försöker ta reda på vad som får vissa molekyler att samlas för att bilda en fiber istället för en glop, sa Witten.

Proteinerna som bildar fibrer är identiska men oregelbundna; de passar inte ihop rent. Witten och hans medarbetare Martin Lenz, en forskare vid Université Paris-Saclay, undrade om den oegentligheten kan ha en nyckel till fiberbildning. Använda datorer, Lenz, huvudförfattare till studien, utarbetade en matematisk modell för att simulera hur identiska men illa passande föremål skulle klumpa ihop sig. Han använde femhörningar och andra enkla polygoner för att representera det oregelbundna, fiberbildande proteiner.

"Vi hade inget labb och provrör. Vi hade bara dessa små former, sa Witten.

Forskarna gjorde att polygonernas interaktion berodde på bara två attribut utan att inkorporera några andra egenskaper hos verkliga molekyler. Som i en riktig fiber, alla underenheter är identiska och oregelbundna. De är också vad Witten kallar "klibbiga" - de attraherar varandra men de känner inte attraktionen förrän de rör vid. De "vill" röra, och de får energi om de gör det. Men eftersom formerna inte passar ihop rent, "Deras ytor kan inte röra och känna klibbigheten och få den energin om de inte förvrängs, sa Witten.

Deras benägenhet är att förlänga sig så mycket som möjligt för att maximera mängden av deras yta som är i kontakt. "Men förvrängning kostar dem energi, Witten sa. "De måste utöva krafter för att få ytorna att mötas. Så det finns en konkurrens mellan energin som erhålls genom stickning och energikostnaden för distorsion."

Simuleringarna som Lenz gjorde förkroppsligade den konkurrensen. Formerna kunde fästa längs vilken yta som helst. Forskarna varierade graden av klibbighet i förhållande till energikostnaden för distorsion för varje form och tittade på de olika strukturerna som bildades över värdeintervallet. Resultaten var slående:Oavsett vilken form de använde, när klibbighet och energikostnaden för distorsion var mer eller mindre lika, de fick fibrer varje gång.

En ytterligare egenskap behövdes för att bilda fibrerna. Tillväxten behövde vara irreversibel med varje yta som fastnar måste stanna kvar. Utan denna oåterkalleliga funktion, ofta ses i riktiga molekyler, de långa fibrerna skulle så småningom smälta till runda klumpar.

Forskningen skiljer sig från det tillvägagångssätt som används av forskare som studerar sjukdomar orsakade av proteinfibrer. "De har gjort mycket arbete med detaljerna för de inblandade molekylerna, och det finns starka uppfattningar om hur dessa detaljer får fibrerna att bildas, sa Lenz.

"Vi säger, "Du behöver ingen specifik molekyl:det är en allmän princip." De är skeptiska till det, men trots deras skepsis, de erkänner att vår idé förtjänar ett gehör, sa Witten.

Än så länge, Lenz och Witten har bara provat en liten mängd former i två dimensioner. De planerar att försöka se om principen gäller för godtyckliga former, i tre dimensioner, och abstrahera essensen av vad som händer i simuleringarna.

"Vi vill ha en teori som förutsäger saker som vi sedan kan verifiera på datorn, en teori som inte använder specifika egenskaper hos en viss partikelform utan bara använder klibbigheten och förvrängningen, " sa Witten. "Vi kanske kan förhindra galna kon och sicklecellfibrerna, om vi förstår denna princip. Och vi borde kunna använda principen för att göra fibrer när de är nyttiga. Lägg bara i rätt klibbighet, lägg i rätt förvrängning, justera allt och få de fibrer vi vill ha."