Forskere afdækker usædvanlig glasagtig adfærd i et uordnet protein

Da UC Santa Barbara -materialeforsker Omar Saleh og kandidatstuderende Ian Morgan forsøgte at forstå den mekaniske adfærd af uordnede proteiner i laboratoriet, de forventede, at efter at være blevet strakt, et bestemt modelprotein ville øjeblikkeligt komme tilbage, som et gummibånd.

I stedet, dette forstyrrede protein slappede langsomt af, tager ti minutter at slappe af i sin oprindelige form - en adfærd, der trodsede forventninger, og antydede en indre struktur, som man længe troede eksisterede, men har været svært at bevise.

"Hastighed med afslapning er vigtig, fordi den giver os et indblik i proteinets strukturelle organisering, "sagde Morgan, hovedforfatteren i et papir udgivet i Fysisk gennemgangsbreve . "Dette er vigtigt, fordi den strukturelle organisering af et protein normalt er relateret til dets biologiske funktion."

Mens et protein med faste 'folder'-en veldefineret tredimensionel struktur-er forbundet med dets funktion, uordnede proteiner, med deres ustabile strukturer, udlede deres funktioner fra deres dynamik.

"Mere end 40% af humane proteiner udfoldes i det mindste delvist, og de er ofte knyttet til kritiske biologiske processer såvel som invaliderende sygdomme, "Sagde Morgan.

Den langsomme afslapning er faktisk en adfærd, der typisk er forbeholdt foldede proteiner.

"I 1980'erne blev det opdaget, at foldede proteiner udviser langsom afslapning, "Sagde Morgan, i en adfærd, der er typisk for briller - en klasse materialer, der hverken er virkelig flydende eller krystallinske faste tilstande, men kan udvise egenskaber ved begge stater.

"Vi har studeret foldede proteiner i lang tid og har udviklet en masse gode værktøjer til dem, så det blev hurtigt fundet ud af, at de langsomme afslapninger kunne forklares ved en mekanisme, ved hvilken 'frustrerede' molekyler forsøger at passe sig selv i et lille rum, "Morgan sagde - en mekanisme kaldet" fastklemning. "" Denne forklaring hjalp os med bedre at forstå strukturen af ​​foldede proteiner og forklare glasagtig opførsel i mange andre systemer. "

Imidlertid, proteinet, som forskerne forsøgte at strække ved hjælp af en enhed kendt som en magnetisk pincet, var et uordnet protein. Per definition, det forsøgte ikke at pakke mange molekyler ind i et lille rum, så det skulle ikke løbe ind i jamming -problemet, Saleh sagde.

"Så, da vi observerede langsomme afslapninger, det betød enten, at vores definition af proteinet var forkert, eller der måtte være en anden mekanisme, "Sagde Morgan.

Desuden, ved at lade det strakte protein slappe af, men strække det igen med mindre kraft, før det havde en chance for at slappe helt af, forskerne fandt ud af, at proteinet "huskede" dets tidligere strækning - oprindeligt forlænget, som forventet med større kraft, men til sidst langsomt afslappende igen forlænges som forventet med mindre kraft, men derefter langsomt slappe af over tid. Konceptuelt, Morgan forklarede, jo længere proteinet strækkes, jo længere tid tager det at slappe af, derfor "husker" den, hvor længe den blev trukket.

For at forklare disse uventede, glasagtig adfærd, forskerne hentede inspiration fra nogle ret dagligdags genstande:krøllet papir og hukommelseskum. Begge strukturelt forstyrrede systemer, de udviser en lignende langsom, logaritmisk afslapning efter at have været udsat for kræfter, og især for skummet, en "hukommelse" effekt.

For forskerne antydede adfærden, at ligesom hukommelsesskum og krøllet papir, proteinets indre struktur var ikke en af ​​en enkelt, fast enhed, men en af ​​flere, uafhængige understrukturer af en række styrker mellem stærke og svage, der reagerer på en række kræfter, der udøves på materialet i forskellige tidsrum. For eksempel, stærke strukturer kan modstå en vis belastning, før de bliver trukket fra hinanden og være de første til at slappe af, hvorimod svage strukturer vil strække sig med mindre kræfter og tage længere tid at slappe af.

Baseret på denne forestilling om flere understrukturer og bekræftet med eksperimentelle data, forskerne fastslog, at proteinets logaritmiske afslapningshastighed er omvendt proportional med strækningskraften.

"Jo stærkere strækningskraft, der anvendes på det uordnede protein, jo mere protein slappede af på samme tid, "Forklarede Saleh.

"Mekaniske uordnede systemer med lignende strukturelle arrangementer har en tendens til at være bemærkelsesværdigt holdbare, "Morgan sagde." De har også forskellige mekaniske egenskaber afhængigt af hvor meget du trækker og komprimerer dem. Dette gør dem meget fleksible, afhængig af kraftens størrelse og frekvens. "At forstå strukturen bag denne evne til at tilpasse sig kunne åbne døren for fremtidige dynamiske materialer, at, Morgan sagde, "ligesom din hjerne, hjælper dem med at filtrere uvigtige oplysninger ud og gør dem mere effektive til at gemme gentagne stimuli. "