一种新的实验方法可以对淀粉样蛋白进行X射线分析，淀粉样蛋白是一类大型的丝状生物分子，是阿尔茨海默氏病和帕金森氏病等重要疾病的标志。由DESY科学家领导的国际研究人员团队使用了功能强大的X射线激光，以洞悉不同淀粉样蛋白的结构。
淀粉状蛋白原纤维的X射线散射产生的图案与罗莎琳德·富兰克林(Rosalind Franklin)在1952年从DNA获得的图案有些相似，这导致了人们熟知的双螺旋结构的发现。比富兰克林的X射线管强十亿倍的X射线激光打开了检查单个淀粉样原纤维(淀粉样长丝成分)的能力。借助如此强大的X射线束，任何多余的物质都会淹没看不见的小原纤维样品发出的信号。超薄碳膜(石墨烯)解决了这个问题，可以记录极其敏感的图案。这标志着使用X射线激光研究单个分子的重要一步，这是结构生物学家长期以来追求的目标。科学家在《自然通讯》杂志上介绍了他们的新技术。
淀粉样蛋白是长而有序的蛋白质链，由数千个相同的亚基组成。虽然淀粉样蛋白被认为在神经退行性疾病的发展中起主要作用，但近来已鉴定出越来越多的功能性淀粉样蛋白形式。“例如，'感觉良好的激素'内啡肽可以在垂体中形成淀粉样蛋白原纤维。当周围环境的酸度发生变化时，它们就会分解为单个分子，之后这些分子便可以在体内发挥其作用。”自由电子激光科学中心(CFEL)的科学家，DESY的主要作者DESY的Carolin Seuring解释说。纸。“其他淀粉样蛋白，例如在患有阿尔茨海默氏病的患者的死后大脑中发现的蛋白，会在淀粉样蛋白原纤维中积聚，
科学家们正在尝试尽可能准确地确定淀粉样蛋白的空间结构，以便利用这些信息来更多地了解蛋白质原纤维的功能：“我们的目的是了解淀粉样蛋白纤维的形成和结构的作用。在身体和神经退行性疾病的发展中发挥了重要作用。” Seuring在描述研究小组的动机时说道。“淀粉样蛋白的结构分析很复杂，并且使用单个样品中原纤维之间的差异妨碍了使用现有方法对其进行检查。”该团队在美国SLAC国家加速器实验室使用了X射线自由电子激光LCLS。
一个问题是，称为原纤维的淀粉样蛋白链不能生长为晶体，这是使用X射线进行原子分辨率结构研究的常用方法。单个淀粉样蛋白原纤维只有几纳米厚，因此通常太小而无法在暴露于X射线时产生可测量的信号。由于这个原因，通常的方法是将数百万个这样的原纤维彼此平行排列，并将它们捆绑在一起，以使它们的信号相加。然而，这意味着衍射图样是由整个整体产生的，并且关于各个原纤维之间的结构差异的信息丢失了。“我们对淀粉样蛋白原纤维的理解的主要部分来自核磁共振(NMR)和冷冻电子显微镜数据，” Seuring解释说。
为了将来获得此类异质样品的结构信息，研究小组选择了一种新的实验方法。科学家们没有将单个淀粉样蛋白悬浮在像喷水一样的载液中，而是将其放置在由石墨烯制成的超薄固体载体上，其中碳原子呈六角形排列，就像原子蜂窝一样。DESY的首席科学家，CFEL的亨利·查普曼教授说：“这种样品支持有双重好处。”“一方面，石墨烯只是一层薄薄的原子，与之相比，坚硬的载流子却在衍射图中留下了痕迹。另一方面，其规则结构可确保蛋白质原纤维全部沿同一方向排列-至少在较大的区域内排列。”
多根原纤维的衍射图样相互重叠并相互增强，就像在晶体中一样，但实际上没有像载液一样的破坏性背景散射。该方法允许从少于50个淀粉样原纤维获得衍射图样，从而使结构差异更加清晰。“我们在数据中观察到了特征性的不对称性，这表明我们的技术甚至可以用来确定单个原纤维的结构，” Seuring说。
SLAC的合著者Mengning Liang报告说：“ LCLS的CXI仪器提供了异常明亮的纳米聚焦光束，使我们能够从如此少量的纤维中提取数据。”“原纤维是第三类样品，除了单个颗粒和晶体外，还可以用X射线激光进行这种研究。在某些方面，原纤维介于另外两个之间：它们具有规则的，反复出现的结构变化，如晶体，但没有刚性的晶体结构。”
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