Нейродегенеративные заболевания, такие как болезнь Альцгеймера или болезнь Паркинсона, вызываются ошибками укладки (неправильной укладкой) белков или пептидов, т.е. изменениями их пространственной структуры. Это результат незначительных отклонений в химическом составе биомолекул. Исследователи из Технологического института Карлсруэ (KIT) разработали простой и эффективный метод обнаружения такого неправильного сворачивания на ранней стадии заболевания. Нарушение укладки выявляют по структуре высушенного остатка растворов белков и пептидов. Метод включает анализ микрофотографий с помощью нейронных сетей и имеет прогностическую точность более 99%. Результаты опубликованы в Advanced Materials .
Биохимическая структура белков и пептидов определяет их биологические функции. Есть много указаний на то, что даже незначительные структурные или пространственные изменения могут способствовать развитию заболеваний. Многие нейродегенеративные заболевания объясняются неправильным сворачиванием белков и пептидов, вызванным такими изменениями. Пептиды бета-амилоида (Aβ42) играют ключевую роль в развитии болезни Альцгеймера; они отличаются одним аминокислотным остатком и представляют собой наследственные мутанты болезни Альцгеймера.
До сих пор не существовало простого и точного метода предсказания мутаций в белках. В Институте функциональных интерфейсов KIT (IFG) исследовательская группа под руководством профессора Йорга Лаханна разработала метод обнаружения неправильной укладки по структуре высушенных белковых и пептидных растворов. «Образцы пятен были не только характерными и воспроизводимыми, но также привели к классификации восьми мутаций с прогностической точностью более 99%», — сказал Лаханн, автор исследования, описывая результаты. Группа показала, что важную информацию о первичной и вторичной структурах пептидов можно получить из пятен, оставленных после высыхания капель раствора пептида на твердой поверхности.
Растворы белков и пептидов точно помещаются на предметные стекла с помощью автоматизированной системы пипетирования для обеспечения контролируемых и воспроизводимых результатов. Поверхности предметных стекол были предварительно подготовлены с нанесением гидрофобного полимерного покрытия. Чтобы проанализировать сложные узоры пятен от высушенных капель, исследователи получили изображения с помощью поляризационной микроскопии. Затем изображения были проанализированы с помощью нейронных сетей с глубоким обучением .
«Поскольку структуры очень похожи и их трудно различить невооруженным глазом, было определенно удивительно, что нейронные сети оказались настолько эффективными», — говорит Лаханн о результатах. «Окрашивание бета-амилоидных пептидов служит точными отпечатками пальцев, отражающими структурную и пространственную идентичность пептида». По словам Лаханна, эта технология позволяет идентифицировать варианты болезни Альцгеймера с максимальным разрешением в течение нескольких минут.
Результаты показывают, что такой простой метод, как сушка капли раствора пептида на твердой поверхности, может служить индикатором незначительных различий в первичной и вторичной структурах пептидов. «Масштабируемые и точные методы обнаружения для стратификации конформационных и структурных изменений белка срочно необходимы для расшифровки патологических признаков таких заболеваний, как болезнь Альцгеймера и болезнь Паркинсона», — говорит Лаханн.
Это также относительно простой метод, который не требует сложной подготовки образцов и, таким образом, обеспечивает простую и удобную для пациента диагностику. Кроме того, метод имеет большой потенциал для других применений в медицинской диагностике и молекулярном обнаружении заболеваний.