Ein prime suspect, die den Ausbruch der Alzheimer-und Parkinson-Erkrankungen ist ein in der Regel gutartiger Enzym, das essentiell ist, um eine ordnungsgemäße Entwicklung des Nervensystems. Unter bestimmten Bedingungen jedoch, seine Chemische Struktur ändert und es geht rogue, einen Beitrag zur neuronalen Verwüstung, die Sie begleitet Demenz.
Forscher weltweit intensiv untersucht dieses Enzym, genannt Cdk5, um zu verstehen, dessen Dynamik und schließlich Wege finden, um zu lindern oder zu beseitigen Ihren Schaden. Wissenschaftler des National Institute of Standards and Technology (NIST) und Kollegen entwickelt eine neuartige, hoch empfindliche system zu verfolgen, die Aktivität von Cdk5 in Echtzeit mit mehr als 10-mal höhere Empfindlichkeit als das bisher möglich.
„Die Empfindlichkeit dieser Technik können eine neue Klasse von tests, die ermöglichen könnte, die Früherkennung von neurologischen Erkrankungen wie der Alzheimer-Krankheit Jahre oder sogar Jahrzehnte, bevor die ersten Symptome auftreten“, sagte co-Forscher Harish Hose von den Nationalen Instituten der Gesundheit (NIH). „Wichtig ist, solche diagnostische tests können nicht-invasiv und mit Blut oder Blutplättchen.“
Blick auf Etiketten
„Die traditionelle Art der Untersuchung dieser Moleküle beinhaltet die Kennzeichnung der biologischen Fächer, die entweder mit einer radioaktiven oder fluoreszierenden tracer“, sagte NIST-Forscher Arvind Balijepalli, wer entwickelt das neue system zusammen mit Son Le und Curt Richter am NIST, und Hose. Sie berichten über Ihre Ergebnisse online in der Zeitschrift Nanoscale.
„Um eine Messung zu machen heute,“ Balijepalli sagte, „setzen Sie Ihre Enzyme und Ihre Substrate [Ihre biochemische targets] in einem Reagenzglas, inkubieren Sie zusammen mit speziell beschriftet Chemikalien für eine Weile, und dann zählen die radioaktiven Emissionen oder Lichtblitze, die kommen. Der gesamte Prozess kann dauern als viel als einen halben Tag. Und es erfordert teure, spezialisierte Molekül Handhabung und Entsorgung von radioaktiven material Vorsichtsmaßnahmen.“
Diese Methode gibt ein insgesamt gutes Indiz dafür, wie viel insgesamt Aktivität aufgetreten während eines längeren Zeitraums.
Spannung Fußabdruck
„Aber unser system, basierend auf einem transistor-Struktur, benötigt keine Etiketten und Maßnahmen Enzym-Aktion Tausende Male pro Sekunde,“ Son Le, sagte, „so können wir beobachten Sie das signal ändern. Das gibt uns sowohl kinetische Informationen über das Enzym auf dem Weg als auch statische Informationen, wenn der Prozess einen stabilen Zustand erreicht.“
Das system funktioniert durch die Verfolgung verräterische biochemische Aktivität als Cdk5 läuft amok. Das Enzym ist Jekyll-und-Hyde-Verhalten tritt auf, weil die ökologischen Faktoren, Genetik und Alterung verursachen, es zu verlieren, einen Teil der Untereinheit, die normalerweise hemmt seine Aktivität, um die geordnete übertragung von Phosphor-und Sauerstoff-Gruppen („Phosphate“) zu der beabsichtigten neuralen Kunden.
Aber wenn Cdk5-Verordnung bricht, geht es hyperaktiv und beginnt mit der übertragung von Phosphatgruppen auf Proteine wahllos, was zu einer Kaskade von destruktiven zellulären Aktivität. Dabei hinterlässt es eine aufschlussreiche Bilanz: Jedes mal, wenn Cdk5 Finger Weg, eine Phosphat-Gruppe, gibt es auch ein oder mehr freie Protonen. Da die positiv geladenen Protonen akkumulieren, Sie erhöhen den Säuregehalt des umgebenden fluid. Je mehr Protonen freigesetzt, die stärker Cdk5 arbeitet.
Liquid Gate
Zu Messen, die Aktivität, die Forscher entwickelten ein zwei-gated transistor (für details, siehe Abbildungen), in denen das top-gate bedeckt ist, durch einen Tropfen von einem speziellen elektrisch leitfähigen Flüssigkeit, die Paare der top-gate, um elektrische Ladungen, die, wie jene im Zusammenhang mit den Protonen. Diese Flüssigkeit ist verbunden durch einen Draht zu einem separaten kleinen Reagenzglas mit deregulierten Cdk5 und einem ausgewählten Substrat.
Als die Anzahl der Protonen tragen positive Ladungen sammeln sich in dem Reagenzglas, das elektrische potential zwischen den test-tube-Lösung und der liquid-gate-änderungen. Diese Spannung wiederum beeinflusst, wie viel Strom bewegt sich von der transistor-Quelle, um Ihren Abfluss.
Das Gerät ist ausgelegt für den Betrieb bei konstantem Strom, die kontinuierlich überwacht ein feedback-Gerät. Wenn eine änderung in der Spannung an die Flüssigkeit, Tor tritt—ändern der aktuellen flow—feedback-controller sendet eine Spannung an eine zweite, Feste gate auf der Unterseite des transistor entschädigt und hält den Strom konstant. Die Spannung am unteren Tor befindet sich das system-Ausgangssignal.
„Das arrangement wirkt wie ein Verstärker,“ Curt Richter erklärt. „Obwohl es dauert nur eine winzige änderung in der Spannung auf die top-gate, um auf aktuelle Durchfluss -, das untere Tor, die hat einen dicken Siliciumdioxid-Schicht, ist viel weniger effizient. Als Ergebnis, dauert es etwa 100 mal mehr Spannung am unteren Tor zur Aufrechterhaltung einer Konstanten Strom—, gibt uns eine vergrößerte signal, das ist leichter zu Messen. Zum Beispiel, wenn unsere gewinnen waren 100, 1 millivolt [Tausendstel volt] ändern auf der Oberseite würde eine 100 millivolt änderung auf dem Boden.“
Andere Gruppen haben experimentierte mit zwei-Tor-Konfigurationen und feedback-Controller. Aber ein besonderes Merkmal des neuen Systems ist die deutlich erhöhte Empfindlichkeit und die elektronische Schaltung, die ermöglicht die Beobachtung von Veränderungen in Millisekunden.
Aus dem Reagenzglas
Das extrem feine Auflösung, Balijepalli sagte, „gibt uns detaillierte Informationen darüber, wie diese komplexe form und in welcher der Mechanismus des Zusammenspiels ist. Das könnte wichtig sein, zu verstehen, warum Krankheiten entstehen in den ersten Platz. Wir können nicht wissen, welche Dynamik sind wichtig, ohne einen sehr kurzen messintervall.“
Diese Art von Informationen werden von entscheidender Bedeutung für Forscher, die wollen, Medikamente zu entwickeln, die zu „re-regulieren“ Cdk5, und vermeiden so die zerstörende Kaskaden auftreten.
„Zu diesem Zeitpunkt“ Balijepalli sagte, „wir möchten sehen, ob wir können dies als ein drug-discovery-Plattform. Unsere Kollegen an der NIH haben eine Menge Erfahrung in der Herstellung von protein-Therapeutika. Sie sind daran interessiert, die Prüfung der Wirksamkeit dieser Medikamente und das Verständnis des Mechanismus Ihrer Wirkung. Wir glauben, dass diese Plattform es ermöglichen kann, diese beiden Dinge.“
„Auch weiter unten in der Straße, das Ziel ist, um aus dem Reagenzglas und sehen, ob es Anwendungen in der klinischen Diagnostik zur Früherkennung von Krankheiten“, sagte Harish Hose von den NIH. „Denn solche tests können schnell getroffen werden, Sie können verwendet werden, zu überwachen Patienten mit einer Familiengeschichte von neurologischen Krankheiten, von einem frühen Alter zu erkennen, wenn subtile Veränderungen in der Enzym-Aktivität manifestieren. Wenn eine solche Diagnose-tools entwickelt, es wird sich radikal verändern die Art, wie diese Erkrankungen behandelt werden und es geschafft.“