Forskere identificerer egenskaber, der tillader proteiner at styrke under pres

Et nyt gummibånd strækker sig, men klikker derefter tilbage i sin oprindelige form og størrelse. strakte ud igen, det gør det samme. Men hvad nu hvis gummibåndet var lavet af et materiale, der huskede, hvordan det var blevet strakt? Ligesom vores knogler styrkes som reaktion på stød, medicinske implantater eller proteser, der er sammensat af et sådant materiale, kunne tilpasse sig miljøbelastninger, såsom dem, man støder på ved anstrengende træning.

Et forskerhold ved University of Chicago udforsker nu egenskaberne af et materiale, der findes i celler, og som gør det muligt for celler at huske og reagere på miljømæssigt pres. I et papir offentliggjort den 14. maj, 2021 i Blødt stof, de drillede ud af hemmeligheder for, hvordan det fungerer – og hvordan det en dag kunne danne grundlag for at lave brugbare materialer.

Protein tråde, kaldet aktin filamenter, fungere som knogler i en celle, og en separat familie af proteiner kaldet tværbindere holder disse knogler sammen til et cellulært skelet. Undersøgelsen fandt, at en optimal koncentration af tværbindere, som binder og afbinder for at tillade actinet at omarrangere under tryk, tillader dette skeletstillads at huske og reagere på tidligere erfaringer. Denne materielle hukommelse kaldes hysterese.

"Vores resultater viser, at egenskaberne af aktin-netværk kan ændres af, hvordan filamenter er justeret, " sagde Danielle Scheff, en kandidatstuderende ved Institut for Fysik, der udførte forskningen i Margaret Gardels laboratorium, Horace B. Horton professor i fysik og molekylær teknik, James Franck Instituttet, og Institute of Biophysical Dynamics. "Materialet tilpasser sig stress ved at blive stærkere."

For at forstå, hvordan sammensætningen af ​​dette cellulære stillads bestemmer dets hysterese, Scheff blandede en buffer indeholdende actin, isoleret fra kaninmuskel, og tværbindere, isoleret fra bakterier. Hun lagde derefter pres på opløsningen, ved hjælp af et instrument kaldet et reometer. Hvis den strækkes i én retning, tværbinderne tillod actinfilamenterne at omarrangere, forstærkning mod efterfølgende tryk i samme retning.

For at se, hvordan hysterese afhang af opløsningens konsistens, hun blandede forskellige koncentrationer af tværbindere i bufferen.

Overraskende nok, disse eksperimenter indikerede, at hysterese var mest udtalt ved en optimal tværbinderkoncentration; opløsninger udviste øget hysterese, da hun tilføjede flere tværbindere, men forbi dette optimale punkt, virkningen blev igen mindre udtalt.

"Jeg kan huske, at jeg var i laboratoriet første gang, jeg planlagde det forhold og tænkte, at noget måtte være galt, løber ned til reometeret for at lave flere eksperimenter for at dobbelttjekke, " sagde Scheff.

For bedre at forstå de strukturelle ændringer, Steven Redford, en kandidatstuderende i biofysiske videnskaber i laboratorierne i Gardel og Aaron Dinner, professor i kemi, James Franck Instituttet, og Institut for Biofysisk Dynamik, lavet en beregningssimulering af proteinblandingen Scheff produceret i laboratoriet. I denne beregningsmæssige gengivelse, Redford havde en mere systematisk kontrol over variabler end muligt i laboratoriet. Ved at variere stabiliteten af ​​bindinger mellem actin og dets tværbindere, Redford viste, at afbinding tillader actinfilamenter at omarrangere under tryk, justering med den påførte belastning, mens binding stabiliserer den nye justering, giver vævet en "hukommelse" af dette tryk. Sammen, disse simuleringer viste, at permanente forbindelser mellem proteinerne muliggør hysterese.

"Folk tænker på celler som meget komplicerede, med meget kemisk feedback. Men dette er et afklebet system, hvor du virkelig kan forstå, hvad der er muligt, sagde Gardel.

Holdet forventer disse resultater, etableret i et materiale isoleret fra biologiske systemer, at generalisere til andre materialer. For eksempel, Brug af impermanente tværbindere til at binde polymerfilamenter kunne tillade dem at omarrangere, som actinfilamenter gør, og dermed producere syntetiske materialer, der er i stand til hysterese.

"Hvis du forstår, hvordan naturlige materialer tilpasser sig, du kan overføre det til syntetiske materialer, " sagde middag.