I forskning som en dag kan leda till framsteg mot neurodegenerativa sjukdomar som Alzheimers och Parkinsons, Ingenjörsforskare vid University of Michigan har visat en teknik för att exakt mäta egenskaperna hos enskilda proteinmolekyler som flyter i en vätska.

Proteiner är viktiga för varje cell. Att mäta deras egenskaper i blod och andra kroppsvätskor kan låsa upp värdefull information, eftersom molekylerna är en vital byggsten i kroppen. Kroppen tillverkar dem i en mängd olika komplexa former som kan överföra meddelanden mellan celler, bära syre och utföra andra viktiga funktioner.

Ibland, dock, proteiner bildas inte ordentligt. Forskare tror att vissa typer av dessa missbildade proteiner, kallas amyloider, kan klumpa ihop sig till massor i hjärnan. De klibbiga trasslarna blockerar normal cellfunktion, som leder till hjärncellsdegeneration och sjukdom.

Men processerna för hur amyloider bildas och klumpar ihop är inte väl förstådda. Detta beror delvis på att det för närvarande inte finns ett bra sätt att studera dem. Forskare säger att nuvarande metoder är dyra, tidskrävande och svårtolkat, och kan bara ge en bred bild av den totala nivån av amyloider i en patients system.

University of Michigan och University of Fribourg -forskare som utvecklat den nya tekniken tror att det kan hjälpa till att lösa problemet genom att mäta en individuell molekyls form, volym, elektrisk laddning, rotationshastighet och benägenhet att binda till andra molekyler.

De kallar denna information för ett "5-D fingeravtryck" och tror att den kan avslöja ny information som en dag kan hjälpa läkare att spåra status för patienter med neurodegenerativa sjukdomar och eventuellt till och med utveckla nya behandlingar. Deras arbete beskrivs i ett papper publicerat i Naturnanoteknik .

"Föreställ dig utmaningen att identifiera en specifik person endast baserat på deras längd och vikt, "sa David Sept, en professor i biomedicinsk ingenjörsteknik som arbetade med projektet. "Det är i huvudsak utmaningen vi står inför med nuvarande tekniker. Tänk hur mycket lättare det skulle vara med ytterligare deskriptorer som kön, hårfärg och kläder. Det är den typ av ny information som 5-D-fingeravtryck ger, vilket gör det mycket lättare att identifiera specifika proteiner. "

Michael Mayer, huvudförfattaren för studien och en tidigare UM-forskare som nu är professor i biofysik vid Schweiz Adolphe Merkle Institute, säger att identifiering av enskilda proteiner kan hjälpa läkare att hålla bättre koll på statusen för en patients sjukdom, och det kan också hjälpa forskare att få en bättre förståelse för exakt hur amyloidproteiner är inblandade i neurodegenerativ sjukdom.

För att ta detaljerade mätningar, forskargruppen använder en nanopore 10-30 nanometer bred-så liten att endast en proteinmolekyl kan passa igenom åt gången. Forskarna fyllde nanoporen med en saltlösning och passerade en elektrisk ström genom lösningen.

När en proteinmolekyl tumlar genom nanoporen, dess rörelse orsakar små, mätbara fluktuationer i elektrisk ström. Genom att noggrant mäta denna ström, forskarna kan bestämma proteinets unika femdimensionella signatur och identifiera det nästan omedelbart.

"Amyloidmolekyler varierar inte bara mycket i storlek, men de tenderar att klumpa ihop sig till massor som är ännu svårare att studera, "Mayer sa." Eftersom det kan analysera varje partikel en efter en, denna nya metod ger oss ett mycket bättre fönster för hur amyloider beter sig inuti kroppen. "

I sista hand, teamet syftar till att utveckla en enhet som läkare och forskare kan använda för att snabbt mäta proteiner i ett blodprov eller annan kroppsvätska. Detta mål är sannolikt flera år ledigt; sålänge, de arbetar för att förbättra teknikens noggrannhet, finslipa den för att få en bättre approximation av varje proteins form. De tror att i framtiden, tekniken kan också vara användbar för att mäta proteiner associerade med hjärtsjukdomar och i en mängd andra applikationer också.

"Jag tror att möjligheterna är ganska stora, "Sept sa." Antikroppar, större hormoner, kanske kan alla patogener upptäckas. Syntetiska nanopartiklar kan också lätt karaktäriseras för att se hur enhetliga de är. "

Studien har titeln "Realtidsformad approximation och fingeravtryck av enstaka proteiner med hjälp av en nanopor."