单个淀粉样原纤维演变成微晶

淀粉样蛋白是指在器官和组织中发现的异常纤维细胞外和蛋白质沉积物，形成抗降解的不溶性构建体。它们的形成可以伴随疾病，其中每种疾病的特征在于特定的蛋白质或肽聚集体。淀粉样原纤维和纳米晶体的纳米力学特性取决于它们的二级和四级结构以及分子间几何形状。科学家们使用了先进的成像方法，包括原子力显微镜 (AFM) 来解开淀粉样蛋白的形态和机械异质性，尽管基于传统的光谱方法很难获得全面的理解。

在最近发表在Advanced Science上的一份报告中，Jozef Adamcik 和苏黎世联邦理工学院、剑桥大学、卢森堡大学和上海大学的国际研究人员团队展示了组合单分子纳米光谱方法。他们将这些技术与原子建模相结合，以了解基于纳米级六肽的淀粉样蛋白原纤维到淀粉样蛋白微晶的结构转变。他们将硬化的起源归功于分子间β-折叠结构的含量增加。杨氏模量增加的刚度与增加的分子间氢键密度和平行β 折叠结构相关，以在能量上稳定晶体。

材料科学中的淀粉样蛋白

淀粉样蛋白是由蛋白质或肽产生的高度有序的结构，与一系列疾病有关，包括许多神经退行性疾病，如阿尔茨海默病、帕金森病、克雅氏病和牛海绵状脑病。了解它们的生物物理特性可以提供大量新信息来抑制它们的形成。然而，在材料科学中，大量肽和蛋白质自组装成淀粉样蛋白结构的能力开辟了使用它们开发用于生物医学和纳米技术应用的新纳米材料的方法。因此，材料科学家渴望在更广泛的背景下获得有关淀粉样蛋白结构和形态的详细知识，以用于跨医学到纳米技术的应用。在这项工作中，Adamcik 等人。检查了六肽模型系统的多态性，并使用峰值力定量纳米力学映射原子力显微镜(PF-QNM-AFM)的单分子功能进行分析。该方法将 AFM(原子力显微镜)和红外技术与原子建模相结合，以研究和关联原纤维的纳米力学、化学和结构特性及其在单个聚集体尺度上的晶体形式。

该团队首先单独分析了ILQINS 六肽(一种淀粉样蛋白形成片段)，以了解纳米力学和结构特性的差异。他们提取了大约 30 种不同原纤维的杨氏模量，其值 (2-3 GPa)是淀粉样原纤维的典型值。然后他们观察到另一种六肽IFQINS- 另一个淀粉样蛋白形成片段，显示原纤维与右旋螺旋带、右旋和左旋扭曲带、中间晶体和晶体结构的共存。在这种情况下，杨氏模量不同，使研究人员能够区分每种结构形态。例如，红色显示的原纤维的杨氏模量在 2-3 GPa 范围内，很像从 ILQINS 自组装的原纤维。对于以蓝色表示的晶体，模量在 5-6 GPa 的范围内，而以绿色显示的中间晶体分布在 2-5 GPa 范围内。此外，TFQINS淀粉样蛋白结构自组装成具有少量扭曲带的微晶，与 IFQINS 六肽的趋势相似。该团队还获得了对 TFQINS 原纤维到晶体转变的杨氏模量的详细分析。

亚当西克等人。然后应用红外 (IR) 光谱进一步了解纳米力学特性与单纤维和晶体的化学二级结构异质性之间的相关性。由于其异质性，他们选择了 IFQINS 肽用于 AFM-IR 工具的实验。科学家们使用该技术观察了形态图，以显示纳米尺度上扭曲的原纤维和晶体的共存。AFM-IR 系统允许对通常被称为蛋白质指纹的酰胺带进行光谱分辨率或肽。科学家们研究了从原纤维到中间晶体再到晶体状态的转变过程中的细微结构变化，表明分子间平行β-折叠含量的净增加和反平行β-折叠构象的轻微增加。该团队将这一结果归功于从原纤维到晶体状态的杨氏模量增加，其中红外光谱方法和 AFM 压痕提供了原子尺度组织的概要。

原子模拟

研究人员接下来对压痕过程进行了原子模拟，以进一步研究获得类晶体顺序后淀粉样蛋白材料特性的变化。他们使用 ILQINS 肽进行这些模拟，以了解粗和细淀粉样蛋白模型的版本。与厚结构相比，薄结构具有不太紧凑的骨架。晶体的杨氏模量比扭曲淀粉样蛋白的模量高 3.6 GPa，表明晶体的排列顺序大于原纤维，就像实验压痕一样。总之，结果表明淀粉样蛋白中的原纤维到晶体转变与增加的分子间 β-折叠和氢键有关，导致酰胺 I 带向较低的振动频率移动。这种转变使晶体结构变得稳定，基于H 键的振动熵和长程有序。这项工作提供了一个清晰的原纤维到晶体转变过程，以形成异常稳定的淀粉样晶体。

外表

通过这种方式，Jozef Adamcik 及其同事结合了单分子原子力显微镜成像、纳米压痕和纳米级化学光谱与原子建模，以了解淀粉样蛋白多晶型物的纳米力学和振动特性。他们观察了从原纤维到微晶的转变，并研究了一系列六肽片段(包括 ILQINS、IFQINS 和 TFQINS)。淀粉样蛋白原纤维和微晶显示出不同的杨氏模量，其中由于微晶结构中分子间 β-折叠的密度和顺序更高，淀粉样蛋白晶体具有更大的值。这项工作提供了前所未有的淀粉样蛋白聚集体的原子、介观和振动特性图，详细说明了热力学稳定的淀粉样蛋白晶体的分子起源，用于从材料科学到纳米医学的应用。