Mekanisk kraft styrer proteinsyntesens hastighed

Når celler danner proteiner, proteinerne modulerer syntesehastigheden ved at udøve en mekanisk kraft på den molekylære maskine, der gør dem, ifølge et team af forskere, der brugte en kombination af beregningsmæssige og eksperimentelle teknikker til at forstå denne kraft.

Proteiner driver mange af en celles vitale funktioner, fra at levere struktur til at levere information til bekæmpelse af vira. Defekt proteinsyntese er forbundet med mange sygdomme, herunder undertyper af hæmofili, lungekræft, og livmoderhalskræft og vulvarcancer.

"Det, der er blevet observeret i det sidste årti, er, at hvis du ændrer den hastighed, hvormed et protein bliver syntetiseret, du kan ændre, hvordan proteinet opfører sig, "sagde Edward O'Brien, assisterende professor i kemi og et institut for CyberScience medudlejning, Penn State. "Vi forsøgte at identificere nye faktorer, der påvirker proteinsyntesehastigheden."

Ribosomer, små fabrikker i cellen, sy aminosyrer i en lang kæde for at skabe proteiner. Under denne proces, nysyntetiserede proteinsegmenter passerer gennem en smal tunnel af ribosomet. Når de forlader tunnelen, proteiner trækker naturligt væk fra ribosomet, Sagde O'Brien.

"Disse proteinmolekyler kan lide at være i områder i rummet med meget frit volumen, hvor de kan bevæge sig rundt, snarere end i trange områder, "sagde O'Brien.

Kraften, der trækker proteinet fra ribosomet, er en entropisk trækkraft, der sker naturligt, ifølge O'Brien. Entropisk kraft i et system er en kraft, der skyldes hele systemets tendens til at øge dens entropi, snarere end fra en bestemt underliggende mikroskopisk kraft. Entropi er tendensen til, at systemer bliver mere uordnede over tid.

"Denne trækkraft forplantes tilbage til det sted, hvor syntesen finder sted i ribosomet, og modulerer denne proces, "sagde O'Brien.

Forskerne observerede, at ustrukturerede proteinsegmenter genererer piconewtons kraft, og at denne kraft overføres over ribosom molekylær maskine, og at det påvirker den hastighed, hvormed aminosyrer sys sammen.

Teamet startede deres undersøgelse fra eksperimentelle målinger, der opdagede, hvor meget proteiner der strakte sig på ribosomet. Forskerne indtaster disse oplysninger i højtydende computersimuleringer, der kørte i flere måneder ved hjælp af både Penn State Institute for CyberScience's Advanced CyberInfrastructure og Extreme Science and Engineering Discovery Environment, en NSF-finansieret virtuel organisation. Disse simuleringer tillod dem at se, hvordan proteinsyntese blev udført under talrige betingelser.

"Ved at forstå de faktorer, der styrer proteinsyntesens hastighed, vi kan nu begynde at forstå, hvordan proteinsyntese påvirker nedstrøms processer, der involverer proteinstruktur og funktion, herunder forskellige sygdomme, "sagde O'Brien.

Forskerne offentliggjorde deres fund i Journal of the American Chemical Society .