Fulltext

Zinc Metal Ion Affected the Structural Stability of Amyloid-Like Nanofibrils

Zahraa S. Al-Garawi

Al-Mustansiriyah Journal of Science مجلة علوم المستنصرية
ISSN: 1814635X Year: 2018 Volume: 29 Issue: 3 ICSSSA 2018 Conference Issue Pages: 50-62
Publisher: Al-Mustansyriah University الجامعة المستنصرية

Abstract

Synthetic peptides that self-assemble into well-defined structures with a cross-β arrangement are called amyloid-like fibrils. Amyloids are associated with a list of disorders and neuro-degenerative diseases, such as Alzheimer's and Parkinson`s disease. We previously showed that amyloid-like nanofibrils with a repeating motif “IHIH” were functional fibrils. They were able to bind a metal ion through imidazole moieties and mimic the native carbonic anhydrase enzyme by hydrolysing the CO2 molecule. Thus, these synthetic amyloid fibrils were suggest-ed to be good candidates to moderate and update the modern enzymatic molecules. This study aims to shed a light on the stability of these amyloid nanofibrils over a study period of 25 days, in the presence/absence of a metal ion. The work continued for approximately 7 months in the Biochemistry department, School of Life Sciences at the University of Sussex in the United Kingdom. A set of designed peptides with a repeating motif “IHIH” were ex-plored, based on some structural studies. Short and long peptides with free ends as well as closed ends were investigated. Peptides allowed to self-assemble with and without a metal ion (zinc) were then examined using circular dichroism, fluorimetry and electron microscopy for structural biophysical analysis. Regardless of the metal ion contribution, peptides showed stable secondary structures with a -sheet conformation for the incubation time of 25 days. Their morphologies did not appear to change over time. However, the presence of a zinc ion has an effect on the secondary structure of the mature fibrils. Results indicated that fibrils grown with the zinc ion have a significantly higher propensity to form -sheets secondary structures during incubation time. The presence of a zinc ion also affected the dimensions of the amyloid-like fibrils by the end of the study course, at which point they significantly re-duced. This effect of zinc ion on synthetic amyloid fibrils has not been previously reported. The stabilities of the zinc-nanofibrils point to their potential for use in modifying or updating the enzyme-mimic analytical reactions. The effect of adding zinc on the fibrillation seems to be crucial. Although it apparently improved the -sheet assembly, it affected the width/length of the synthetic amyloids. This effect could be promising toward reducing the generation of amyloid fibrils and ultimately understanding the pathogenesis of Alzheimer disease.

الببتيدات الاصطناعية التي لها قابلية التجمع الذاتي وتكوين هياكل ليفية محددة ذات تركيب  الرباعي تسمى بشبيهات ألاميلويد. يرتبط الاميلويد مع قائمة من الاضطرابات والأمراض العصبية، مثل مرض الزهايمر ومرض باركنسون. وضحت دراستنا السابقة أن ألالياف النانوية شبيهة الأميلويد ذات التعاقب المتكرر IHIH" " كانت الياف وظيفية، اذ أظهرت محاكاة ناجحة للانزيم الطبيعي (carbonic anhydrase) عن طريق تآصر مجاميع الاميدازول في الحامض الاميني الهيستدين مع أيون معدني (الخارصين) وتحليل جزيئة p-nitrophenyl acetate التي طالما عمل الانزيم على تحليلها. اقترحت تلك الدراسة ان هذه الالياف الاصطناعية مرشحات جيدة لتطوير نماذج الجزيئات الأنزيمية الحديثة.تهدف الدراسة الحالية إلى إلقاء الضوء على مدى استقرارية هذه الألياف الاميلويدية النانوية بوجود وعدم وجود ألايون المعدني، إذ استمرالعمل بجمع البيانات مدة ٧ أشهر تقريبا في قسم الكيمياء الحيوية، كلية علوم الحياة في جامعة ساسكس في المملكة المتحدة. تم استكشاف وفحص مجموعة من الببتيدات المصممة على اساس تكرار التعاقب "IHIH" " بناءً على بعض الدراسات البنيوية سابقة، بعض هذه الببتيدات قصيرة السلسلة (٧ احماض امينية) وأخرى طويلة ( ١١ حامض اميني) ، وبعضها ذات نهايات لحرة بينما أخرى كانت ذات نهايات مغلقة، كما تم فحص استقرارية جميع الببتيدات بوجود وعدم وجود الخارصين باستخدام عدة تقنيات فيزياحياتية مثل ثنائي اللون الدائري، وجهاز الفلورة، والمجهر إلالكتروني، اذ جمعت البيانات من كل تقنية ثلاث مرات متعاقبة على الأقل وحُلّلت احصائياً.أظهر معدل النتائج ان لهذه الببتيدات الاصطناعية شكل شبيه الاميلويد مستقر طيلة فترة المتابعة (٢٥ يوماً)، بوجد وعدم وجود الخارصين، ومع ذلك، كان لوجود أيون الخارصين تأثير على البنية الثانوية للألياف الناضجة. أشارت النتائج إلى أن ميل الألياف النامية بوجود أيون الخارصين لتشكيل بنية ثانوية ذات صفائح  يتزايد معنويا بمرور الوقت أكثر من تلك الالياف النامية بعدم وجود الخارصين. ان وجود أيون الخارصين ضمن الياف شبيهات بالأميلويد لفترة طويلة قد أثر على أبعاد هذه الالياف، اذ لوحظ تقلص معنوي في الطول والعرض في نهاية فترة المتابعة، لم تكن مثل هذه التأثيرات قد دُرست وأُدرجت في الادبيات سابقاً. على اساس ما تقدم، يبدو أن إضافة الخارصين كان له تأثير مهم على التفاف الالياف، فعلى الرغم من تكوين تركيب ثانوي ذو صفائح  بشكل جيد ومُحّسن، كان هناك تأثيراً معنوياً في طول وعرض الالياف الاصطناعية، وهنا، قد يكون هذا التأثير واعداَ نحو الحد من توليد الألياف الاميلويدية وفهم مسببات مرض الزهايمر، وبالتالي كيفية علاجه.

Keywords

Functional fibrils --- amyloids --- structural stability --- circular dichroism.