Predictors of aging and potential of FTIR to detect protein aggregates

Abstract

Aging is defined as a complex physiological process accompanied by a progressive decline of biological, psychological and social structures of individuals. Metabolite analysis is being used in several studies of human populations in order to understand physiological and pathologic processes of an individual. It is known that the increasing aging of population is the origin of enormous challenges to healthcare provision and treatment of age-related diseases, being "aging" a promissory research field. Human metabolome varies throughout life and those changes are certainly related to the onset of several age-related diseases. It is expectable that the study of aging metabolome could help to understand molecular physiology of aging and age-related diseases. The use of metabolic analysis techniques, such as FTIR, may help to identify the biological predictors of aging, which allow understanding the mechanisms involved in the aging process. FTIR technique has received special attention in the clinical field, once it uses the vibration frequencies of the chemical bonds of molecules present in the analyzed sample to yield a metabolic fingerprint specific for each molecule quickly and cheaply. This dissertation pretends to identify the differences at the protein level and protein aggregates in different samples, through the application of FTIR spectroscopy in the medium infrared region. In a first approach, the FTIR technique was applied to yeast samples in order to identify protein alterations. Multivariate data analysis methodologies (PCA and PLS) were also applied in order to distinguish, at the protein level, wild-type and stress (with aggregate induction) yeast samples. FTIR technique has been shown to be capable of identifying protein changes in yeast samples, so human plasma samples from individuals between 65 and 82 years old were used. Using the same methodology, plasma samples from individuals of different ages were studied, with the goal to relate age with the presence of protein aggregates/alteration of protein conformation. The spectra comprise a wide set of wavelengths, however, only the 1800-1350 cm-1 region of the spectrum received larger study, once it is mostly related with protein conformation and with the presence of protein aggregates. The FTIR technique has become a promising screening method, since it has shown to be a technique capable of contributing to the comprehension of the aging process.

O envelhecimento é definido como um processo fisiológico complexo acompanhado de um declínio progressivo das estruturas biológica, psicológica e social dos indivíduos. A análise de metabolitos é cada vez mais utilizada em diversos estudos da população humana, com a finalidade de compreender os processos fisiológico e patológico do indivíduo. Sabe-se que o crescente envelhecimento da população é a origem de enormes desafios nos cuidados de saúde e no tratamento de doenças relacionadas com a idade, sendo o "envelhecimento" um campo de pesquisa promissória. O metaboloma humano varia ao longo da vida e essas alterações estão possivelmente relacionadas com o aparecimento de várias doenças associadas à idade, sendo expectável que o estudo do metaboloma do envelhecimento possa contribuir para a compreensão da sua fisiologia molecular e das doenças relacionadas com este. A utilização de técnicas de análise metabolómica, como o FTIR, pode ajudar a identificar quais os preditores biológicos do envelhecimento, contribuindo para a compreensão dos mecanismos envolvidos no seu processo. O FTIR é uma técnica que tem recebido especial atenção no campo clínico, uma vez que utiliza as frequências de vibração das ligações químicas das moléculas presentes nas várias amostras analisadas para a obtenção de uma “impressão digital” metabólica específica para cada amostra de forma rápida e barata. Esta dissertação tem como objetivo identificar as diferenças ao nível das proteínas e agregados proteicos presentes em diferentes amostras através da aplicação do FTIR na região do infravermelho médio. Numa primeira abordagem, a técnica de FTIR foi aplicada a amostras de leveduras de forma a identificar alterações nas proteínas. Foram ainda aplicadas metodologias de análise multivariada (PCA e PLS) com o objetivo de distinguir, ao nível das proteínas, amostras de leveduras wild-type e stress (com indução de agregados). Como a técnica de FTIR demostrou ser capaz de identificar alterações proteicas em amostras de levedura foram usadas amostras de plasma humano de indivíduos compreendidos entre os 65 e 82 anos de idade. Recorrendo à mesma metodologia estudaram-se amostras de plasma de indivíduos com diferentes idades, pretendendo-se relacionar a idade com a presença de agregados proteicos/alteração da conformação proteica. Os espectros compreendem um vasto conjunto de comprimentos de onda, no entanto, apenas a região 1800-1350 cm-1 foi alvo de um maior estudo, visto que está maioritariamente relacionada com a conformação das proteínas e com a presença de agregados proteicos. A técnica de FTIR tornou-se um método promissor de screening, uma vez que demonstrou ser uma técnica capaz de contribuir para a compreensão do processo de envelhecimento.