Proteinfunktion und -aktivität werden sowohl durch ihren Zusammenbau als auch durch ihre Sekundärstruktur bestimmt. Anomalien, die entweder mit der Proteinaggregation oder der Sekundärstruktur zusammenhängen, können zu neurodegenerativen Erkrankungen führen. In einer neuen Studie zeigt ein internationales Forscherteam, wie Fluorid-Nanopartikel, Materialien, die in der In-vivo-Bildgebung verwendet werden, den Aufbau und die Struktur des Amyloid-β-Proteins beeinflussen. Ihre Ergebnisse stellen einen Schritt in Richtung einer besseren Behandlung und Vorbeugung von neurologischen Erkrankungen wie der Alzheimer-Krankheit dar.
Die Selbstorganisation oder die Vereinigung einzelner Einheiten eines Materials zu geordneten Strukturen oder Mustern ist ein Phänomen von großem Forschungsinteresse für Materialwissenschaftler. Ein prominentes Beispiel für Selbstorganisation ist die Selbstorganisation von Proteinen in biologischen Systemen. Die Funktion und Aktivität von Proteinen wird durch ihren Zusammenbauzustand bestimmt. Zusätzlich spielt auch die „Sekundärstruktur“ des Proteins, die durch ihre Faltung in Strukturen wie ein β-Faltblatt gekennzeichnet ist, eine Rolle. Tatsächlich können Anomalien in den Sekundärstrukturen von Proteinen oder deren Zusammenbau zu verschiedenen neurodegenerativen Erkrankungen führen, einschließlich der Alzheimer-Krankheit.
Nanopartikel (NPs) bieten einen vielversprechenden Weg für die Behandlung und Prävention solcher Krankheiten, indem sie eine kontrollierte und gezielte Arzneimittelabgabe ermöglichen. Darüber hinaus werden anorganische NPs wie Fluorid-NPs in Bildgebungsanwendungen des Gehirns verwendet. Im Vergleich zu organischen NPs gelten anorganische NPs als bessere Kandidaten für die Entwicklung hochfunktioneller Materialien. Es gibt jedoch viele Bedenken hinsichtlich ihrer Biotoxizität. Während ihre Wechselwirkungen mit Bioproteinen untersucht wurden, ist der Mechanismus, der diesen Wechselwirkungen zugrunde liegt, nicht gut verstanden.
Dieser Frage hat sich nun ein internationales Team von Wissenschaftlern der Tokyo University of Science (TUS) in Japan und der Nasarbajew-Universität in Kasachstan angenommen. In ihrer Studie, die am 2. Juni 2022 online gestellt und in der Zeitschrift veröffentlicht wurde ACS Applied Bio Materials Am 20. Juni 2022 untersuchte das Team einen Abschnitt des Amyloid-β-Peptids (ein Protein, das in den Plaques gefunden wird, die sich im Gehirn von Patienten mit Alzheimer-Krankheit bilden) in einer Lösung mit fluoridkeramischen (CeF3) NPs. Die Studie wurde von Junior Associate Professor Masakazu Umezawa geleitet und umfasste Beiträge von Herrn Naoya Sakaguchi von der TUS und den Assistenzprofessoren Mehdi Amouei Torkmahalleh und Dhawal Shah von der Nazarbayev University.
Das Team verwendete eine Technik namens „Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopie“ (FTIR), um die Wirkung der NP-Oberfläche auf die Peptidbindungen direkt zu überwachen. „Wir fanden heraus, dass Peptide in der Nähe der Nanopartikeloberfläche eher β-Faltblätter bilden. Dies ist ein Effekt der Hydrophobie. Die Teile des Peptids, die von der Wasserlösung abgestoßen wurden, haften an den Nanopartikeln und bilden leichter Aggregate.“ erklärt Dr. Umezawa.
Darüber hinaus untersuchte das Team die Wirkung anderer umgebender Ionen in der Lösung. „Was wir herausfanden, war sehr überraschend. Auch ohne die Nanopartikel beeinflusste die Umgebung die Geschwindigkeit der Sekundärstrukturbildung“, sagt Dr. Umezawa, „Dieser Effekt, der aus einer Kombination aus elektrostatischer Wechselwirkung und Wasserstoffbrückenbindung resultiert, wurde durch Zugabe von Nanopartikeln übertrieben. Mit einer sorgfältigen Auswahl von Ionen und Nanopartikeln kann die Bildung von β-Faltblättern entweder unterdrückt oder gefördert werden. Dies impliziert, dass der Prozess kontrolliert und so konstruiert werden kann, dass nachteilige Auswirkungen beseitigt werden.“
Die experimentellen Ergebnisse wurden durch Molekulardynamik-Simulationen ergänzt, die vom Team der Nasarbajew-Universität durchgeführt wurden. Dies wiederum trug dazu bei, die Experimente zu entwerfen und zu leiten sowie Einblicke in die Ergebnisse zu geben.
Mit diesem tieferen Verständnis der Wechselwirkung zwischen Proteinen und NPs ebnet die Studie den Weg für kontrollierte Proteinfaltungsprozesse. Mit einer solchen Kontrolle könnten jegliche Proteindeformationen beseitigt und positive Wechselwirkungen und strukturelle Veränderungen gefördert werden. Dies könnte zu einem besseren Präventions- und Behandlungsprotokoll für die Alzheimer-Krankheit und schließlich zu einer besseren Lebensqualität für ältere Erwachsene führen.
Naoya Sakaguchi et al, Änderungen in der Sekundärstruktur und Assemblierung von Proteinen auf Nanopartikeloberflächen aus Fluoridkeramik (CeF3), ACS Applied Bio Materials (2022). DOI: 10.1021/acsabm.2c00239