Los agregados de beta-amiloide (A-beta) son marañas de proteínas asociadas principalmente a enfermedades neurodegenerativas como el Alzheimer. Sin embargo, a pesar de su constante protagonismo, los investigadores no han podido comprender bien cómo se une y se desintegra la A-beta.
«La forma en que la beta-amiloide se comporta en una variedad de entornos, incluido el cerebro humano, es difícil de entender», dijo Brian Sun, un ex alumno de sistemas eléctricos e ingeniería de la Universidad de Washington en St. Louis, quien ahora es estudiante de doctorado en medicina en la Facultad de Medicina.
«Existe una comprensión del crecimiento y la decadencia que no está totalmente desarrollada», añadió.
Eso va a cambiar, gracias a una investigación publicada recientemente por Sun con colegas del laboratorio del profesor asociado Matthew Lew en el Departamento de Ingeniería Eléctrica y de Sistemas (ESE) Preston M. Green en la Escuela de Ingeniería McKelvey de WashU.
En un trabajo pionero, Sun y sus colegas lograron realizar mediciones de los conjuntos de láminas beta de fibrillas de amiloide, las vigas subyacentes del conglomerado proteico, mientras cambiaban. Los estudios previos con microscopía de alta resolución solo habían obtenido imágenes estáticas.
«Queríamos observar específicamente la dinámica de la estructura subyacente de A-beta que podría ser responsable de los cambios que estamos viendo, no sólo cambios en la forma general», dijo Sun.
Lew utiliza Lego como analogía, señalando que la tecnología de imágenes actual muestra el edificio Lego completo pero no muestra cómo está organizado cada ladrillo individual.
«Las proteínas individuales cambian constantemente en respuesta a su entorno», dijo Lew. «Es como si ciertas piezas de Lego hicieran que otras piezas cambiaran de forma. La arquitectura cambiante de las proteínas y los agregados ensamblados juntos conducen a la complejidad de la enfermedad neurodegenerativa».
El laboratorio de Lew ha desarrollado un nuevo tipo de tecnología de imágenes que les permite ver la orientación y otros detalles minuciosos en nanoestructuras de sistemas biológicos que antes eran invisibles. Su técnica, la microscopía de orientación y localización de moléculas individuales (SMOLM), utiliza los destellos de luz de sondas químicas para visualizar las láminas de péptidos subyacentes al Aβ42, un tipo de péptido A-beta.
El uso de SMOLM les permite observar la orientación individual de las láminas beta subyacentes para ver la relación entre su organización y cómo se relaciona con la estructura general de la proteína amiloide.
Múltiples formas de remodelar
La Aβ42 está cambiando constantemente y el primer paso es tratar de encontrar un método para esta locura, un modelo o patrón de acción para predecir el comportamiento de la proteína.
Ahora que el laboratorio de Lew puede realizar estas mediciones, realizaron algunas observaciones intuitivas y encontraron algunas sorpresas ocultas en la arquitectura de la beta amiloide.
Como era de esperar, las estructuras estables de Aβ42 tienden a mantener láminas beta subyacentes estables; las estructuras en crecimiento tienen láminas beta subyacentes que se vuelven más definidas y rígidas a medida que continúa el crecimiento. Las estructuras en descomposición presentan láminas beta cada vez más desordenadas y menos rígidas. Pero también encontraron más de una forma en que Aβ42 puede renovarse.
«Hay muchas formas diferentes para que las estructuras de Aβ42 permanezcan estables o crezcan y se descompongan», dijo Sun.
Los investigadores también descubrieron que el Aβ42 puede crecer y desintegrarse de maneras que desafían las expectativas. Por ejemplo, el Aβ42 puede crecer y desintegrarse de maneras que preservan la estructura subyacente; a veces hay crecimiento donde los péptidos simplemente se acumulan, pero las orientaciones subyacentes de la lámina beta no cambian. En otros casos, el Aβ42 experimenta una «desintegración estable», donde sucede lo opuesto, es decir, los péptidos se van, pero la estructura de la lámina beta permanece. Finalmente, las láminas beta del Aβ42 a veces se reorganizan y cambian de orientación sin cambios inmediatos en la forma general. Estas reorganizaciones nanoestructurales pueden predisponer a una futura remodelación a gran escala.
«Dado que SMOLM puede rastrear la organización subyacente de Aβ42 y no solo su forma, podemos ver diferentes tipos de subtipos de remodelación que no son visibles para las modalidades de imágenes sin orientación y limitadas por difracción», dijo Sun.
Si todo esto suena un poco vago, tenga en cuenta que este es el primer paso para observar estas estructuras a nanoescala en constante cambio. No había trabajos previos para comparar notas, lo que hace que sea aún más notable que Sun haya elaborado este trabajo mientras hacía malabarismos con las restricciones de confinamiento por COVID-19 y su carga de cursos de pregrado en WashU, que completó en tres años. Allana el camino para que él y otros comiencen a comprender realmente la arquitectura amiloide.
Probablemente terminará investigando más sobre estas preguntas durante la fase de posgrado de su formación de médico/doctorado, donde planea diseñar sistemas de imágenes a nanoescala y sensores que podrían revelar mecanismos ocultos de enfermedades difíciles de tratar.
Sun agradece al departamento de ESE de WashU y al laboratorio Lew por la rigurosa capacitación que hizo posible este estudio y trayectoria académica, así como al MSTP de WashU por apoyar su investigación continua después de la graduación. «Estoy realmente contento de haber pasado por esta experiencia», dijo.
La investigación reportada en esta publicación fue apoyada por el Instituto Nacional de Ciencias Médicas Generales de los Institutos Nacionales de Salud bajo el premio número R35GM124858.
