Udførelse af forskning:Udforskning af ladningsflow gennem proteiner

Blandt den zoologiske have af biomolekyler, der er afgørende for livet, proteiner er de mest overraskende varierede og alsidige.

Disse komplekse strukturer, genereret fra DNA-koden og bygget af omkring 20 aminosyrer spiller en central rolle i utallige livsprocesser. I form af antistoffer, proteiner beskytter organismer mod smitsomme stoffer som bakterier og vira. Som enzymer, proteinmolekyler fremskynder kemiske reaktioner, der er nødvendige for at opretholde liv. Proteiner fungerer også som budbringere, der koordinerer forskellige kommunikationsaktiviteter mellem celler.

Selvom proteiner har været i fokus for intens undersøgelse, forskere har stadig meget at lære om disse gådefulde molekyler, der selv samler sig til komplicerede 3D-former; især deres subtile roller i sundhed og sygdom.

I en ny undersøgelse, Stuart Lindsay og hans kolleger ved Arizona State University udforsker en overraskende egenskab ved proteiner - en som først for nylig er kommet frem i lyset. I forskning, der vises i Proceedings of the National Academy of Science (PNAS) , gruppen demonstrerer elektrisk ledningsevne gennem proteiner placeret mellem et par elektroder.

De viser endvidere, at en sådan ledningsevne kun forekommer under meget specifikke forhold, når kontakterne, der forbinder proteinmolekylerne til deres elektroder, er sammensat af netop det molekyle, som proteinet har udviklet sig til at binde. Dette giver en opskrift på at forbinde proteiner i elektriske kredsløb.

"Hvis du havde fortalt mig, at proteiner ville være gode kredsløbselementer for 5 år siden, Jeg ville have grinet af dig - det er latterligt, " siger Lindsay. Hans skepsis dog, snart gav plads til overraskelse:"Vi opdagede for et par år siden, at et protein involveret i at klæbe celler sammen, uden kendt elektrisk funktion, ført som en smuk ledning, hvis den er forbundet til elektroder af det lille stykke protein, den havde udviklet sig til at genkende. Dette var et stort mysterium for os, og den nuværende undersøgelse var designet til at se, om dette var en generel egenskab ved et hvilket som helst tilfældigt udvalgt protein. Det viser sig at være sandt:alle de proteiner, vi har prøvet, forbundet til elektroder ved hjælp af de specifikke molekyler, de genkender, lav næsten perfekte molekylære ledninger, selvom vi er langt fra at forstå, hvorfor det er."

Jeg synger kroppen elektrisk

Strømmen af ​​elektroner gennem biologiske systemer udgør nogle af de vigtigste reaktioner i naturen, afgørende for energiomdannelsesprocesser lige fra respiration og metabolisme til fotosyntese. Mens det grundlæggende er forstået, Der kræves sofistikerede metoder for at pirre de fine detaljer og mange gåder tilbage.

I den nye undersøgelse, forskerne lavede direkte elektroniske målinger af enkelte proteinmolekyler, som traditionelt er blevet betragtet som elektriske isolatorer. Målingerne blev foretaget ved hjælp af et scanning tunneling mikroskop, et instrument med en meget fin sonde, der er i stand til kun at røre ved ét molekyle.

Det første foretrukne molekyle er kendt som integrin - et allestedsnærværende protein, som celler bruger til at binde deres cytoskelet til den ekstracellulære matrix. Et integrin udviklet til at genkende et bestemt lille peptid (lille stykke protein) fungerede som en stærk leder, hvorimod en variant integrin, ikke udviklet til at genkende det særlige peptid, fungerede som en isolator. Efter at have identificeret integrin som en stærk leder under de rigtige forhold, gruppen begyndte at søge efter andre proteiner, der er i stand til konduktans, ser især på proteiner, der ikke har nogen kendt rolle i elektronoverførsel.

I alt, seks proteiner blev udvalgt til konduktansundersøgelsen. Ingen var i stand til at generere elektrokemisk strøm, efterlader elektronisk ledning som det eneste middel til elektrisk ledning. Når molekylerne var bundet til en overflade i deres oprindelige, vandigt miljø, og ved hjælp af molekyler de proteiner, der genkendes specifikt, elektrisk ledningsevne blev observeret.

Denne ledningsevne var højest, når der blev lavet to specifikke kontakter - f.eks. ved anvendelse af et antistof, som har to steder til at binde sit målprotein. Når antistofferne blev skåret i to, så der blev kun taget én specifik kontakt, ledningsevnen faldt dramatisk. Nogle af de antistofmolekyler, der blev brugt i undersøgelsen, blev udviklet og syntetiseret i laboratoriet af medforfatter Qiang "Shawn" Chen, på Biodesign Center for Immunterapi, Vacciner og viroterapi, ved hjælp af hurtige og fleksible planteekspressionssystemer.

Proteinernes hemmelige liv

Implikationerne af disse resultater er betydelige, fordi de tillader stor specificitet ved påvisning af enkelte molekyler, og fordi de giver en opskrift på at forbinde proteiner i et elektrisk kredsløb, hvor de kan bruges som følsomme kemiske sensorer. Ved at bruge teknikken, individuelle antistoffer kan detekteres elektrisk, når de binder en peptidepitop bundet til elektroder. Hvor der ikke er nogen binding, signalet vil være nul, uden elektrisk baggrundslækage i kredsløbet, i modsætning til de almindeligt anvendte fluorescens (ELISA) assays, som lider af uønskede baggrundssignaler.

Som undersøgelsen viser, at brække en arm af den Y-formede epitop af forårsagede et lavere niveau af ledningsevne gennem molekylet, giver lavere konduktansspidser. Som Lindsay forklarer:"Et bindingssted vil klare, men de bedste kredsløb er lavet med to specifikke bindingssteder. Når du først er bevæbnet med den viden, er det som at blive fortalt, hvordan man bruger et stykke elektronisk designsoftware til at lave proteinkredsløb." Lindsays gruppe arbejder i øjeblikket på en række systemer, der udnytter denne tilgang.

Lindsay, who directs the Biodesign Center for Single-Molecule Biophysics, has been performing elaborate tricks with individual molecules for much of his career. The study of subtle events occurring at the nanoscale has important implications for chemistry, biologi, fysik, materialevidenskab, ingeniørarbejde, and other fields. At this tiny scale, ghostly effects associated with the quantum realm become key ingredients governing physical behavior.

Lindsay holds the Edward and Nadine Carson Presidential Chair in Physics, and is also professor in the School of Molecular Sciences at Arizona State University.

On the horizon, a chip-based version of the technology could beam individual protein information to a computer for analysis, making the promise of truly personalized medicine a reality. "The next steps will be actually making some of the protein-based machines that will serve very useful functions in medicine and analytical chemistry, " Lindsay says. "The technology is very powerful."