Vandledninger kan spille en større rolle i cellulær funktion

Hver af vores celler er omgivet af en kompleks membran, der fungerer som en biologisk grænse, lade ioner og næringsstoffer som salt, kalium og sukker ind og ud. Beskytterne er membranproteiner, som gør det hårde arbejde med at tillade eller blokere trafikken af ​​disse molekyler.

Strenge af bundne vandmolekyler, kaldet vandledninger, spille en vigtig rolle i denne proces, som man troede var velforstået. Nu, et hold ved Florida State University-hovedkvarteret National High Magnetic Field Laboratory (MagLab) er ved at ophæve årtiers lange antagelser om, hvordan de faktisk interagerer med proteiner.

Deres papir blev offentliggjort i dag i Proceedings of the National Academy of Sciences .

Mens forskerne vidste, at vandtråde spillede en rolle i at lede næringsstoffer gennem cellemembranen, de undervurderede i høj grad deres interaktioner med membrankanalen. Dette fund har udbredte konsekvenser, forskere sagde, sætter spørgsmålstegn ved eksisterende modeller for, hvordan vand opfører sig inde i andre proteiner.

"Det er her, det her bliver virkelig interessant fra et biologisk perspektiv, " sagde den tilsvarende forfatter Tim Cross, direktør for Tallahassee-baserede nuklear magnetisk resonans (NMR) facilitet ved National MagLab og Robert O. Lawton professor i kemi. "Nu forstår vi, at disse interaktioner mellem vandet og proteinets iltatomer, der beklæder poren, vil være meget stærkere, end nogen har forventet. Og det kommer til at påvirke, hvordan disse proteiner fungerer."

Arbejdet er også vigtigt, Cross tilføjede, fordi det viser, hvordan en unik, verdensrekord magnet, kendt som Series Connected Hybrid (SCH), giver forskere adgang til nye detaljer om proteiner og andre biologiske systemer.

Deres undersøgelse fokuserede på gramicidin A, et antibiotisk peptid (eller lille protein), der er formet som en helix. To af disse molekyler stablet oven på hinanden skaber en smal kanal i nogle cellemembraner, hvorigennem ioner kan passere ind og ud. En otte molekyle lang vandtråd, der spænder over kanalens længde, fungerer som en slags smøremiddel i denne proces. Hydrogenerne i disse vandmolekyler binder sig til nogle af oxygenatomerne i gramicidinet, der omgiver dem. Orienteringerne af vandtrådsmolekylerne blev anset for at vende ekstremt hurtigt, binding og afbinding med oxygenatomer i gramicidin A mange gange i nanosekund.

Imidlertid, da MagLab-teamet kiggede nærmere på dette system, de opdagede noget, der satte spørgsmålstegn ved den herskende opfattelse. Deres første ledetråd kom for to år siden, når Joana Paulino, derefter en postdoc-forsker ved MagLab, der arbejder med Cross, puttede noget specielt behandlet gramicidin A i SCH og kørte nogle NMR-eksperimenter.

Forskere bruger NMR-maskiner til bedre at forstå strukturen og funktionen af ​​komplekse molekyler som proteiner og vira. De kan indstille maskinen for at identificere, for eksempel, alle natriumatomer i en prøve og deres orientering i forhold til andre atomer. Hvert atom sender et kontrolsignal tilbage til maskinen.

Men nogle atomer er lettere at påvise ved NMR end andre. Ilt, for eksempel, er ret svært at se. Så, indtil for nylig, et af de mest biologisk aktive atomer i kroppen var næsten usynligt for NMR. Dels på grund af en kraftig magnet, der genererer et felt på 36 teslaer (en enhed af magnetisk feltstyrke), SCH kan "se" ilt.

De specifikke gramicidinprøver, som Paulino kiggede på, var allerede blevet undersøgt i dybden år tidligere i en anden kraftig NMR-magnet på MagLab. Cross etablerede sin karriere med sit arbejde med gramicidin, kendt for at være en perfekt symmetrisk struktur:Det sidste, han forventede, var en overraskelse.

Gramicidinprøven bestod af to identiske, stablet, spiralformede molekyler. Paulino undersøgte nøjagtigt det samme oxygenatom på begge, i håb om, at den mere følsomme SCH ville detektere et klarere signal fra disse to atomer, end det tidligere var blevet observeret.

Men hun så ikke kun ét iltsignal:Hun så to.

Ved første rødme, resultaterne syntes at tyde på, at der var noget galt med modellen af ​​en perfekt symmetrisk gramicidin A - modellen, der havde skaffet Cross hans embedsperiode. Hans umiddelbare reaktion på Paulinos målinger var, "Godt, det må være forkert."

Hans næste tanke:"Eller, det kunne være noget meget interessant."

Gentagne eksperimenter viste, at Paulinos første resultat faktisk var korrekt - men ikke fordi molekylerne var asymmetriske. Hellere, SCH var så følsom, at den detekterede et signal fra en gramicidin oxygen, der var bundet til vandtråden, og et separat signal fra en gramicidin oxygen, der ikke var bundet til ledningen.

Holdet brugte år på at udføre flere eksperimenter for at sikre, at de forstod, hvad de så.

"Hver gang vi kørte en prøve af gramicidin mærket på et andet iltsted, og vi så to toppe, vi dansede lidt, sagde Paulino, hovedforfatter på papiret og nu postdoc i biokemi og biofysik ved University of California i San Francisco.

Det faktum, at SCH var i stand til at detektere signalet fra den bundne oxygen, forskerne fastslog, betød, at interaktionerne mellem vandtråden og porevæggen i gramacidin A var meget stærkere og længerevarende - mere end en million gange længere, faktisk, end videnskabsmænd havde troet.

"Energierne forbundet med processen er klart anderledes end hvad man forestillede sig, " sagde Cross. "Så, vi er nødt til at gå tilbage nu og tage et kig på energien og hvordan disse vandledninger faktisk fungerer."

Resultaterne er relevante for mange andre typer proteiner, der har vandledninger i deres cellemembraner.

"Spændingen nu er virkelig at begynde at tænke på alle disse andre vandledninger i proteiner, der leder ioner, der er essentielle for livet, "Kors sagde, "og for at forstå, hvordan dette vil påvirke disse interaktioner og konduktanshastigheder."

Resultaterne vil sandsynligvis ryste nogle videnskabelige fjer, fordi de modsiger beregningsmodeller af vandtrådes molekylære dynamik, som har været accepteret i årtier, sagde Cross.

"Forskere har en ret god forståelse af mange ting, "Forklarede Cross. "Men en gang imellem, noget kommer ud af det blå og tvinger os til at gentænke tingene. Der er intet derude, der overhovedet ville antyde, at der var et problem med disse beregningsstudier - indtil dette."