Matematisk modellering afslører, hvordan chitinase, en molekylær monorail, adlyder et envejsskilt

En ny matematisk modelleringsmetode er blevet udviklet til at estimere driftsmodeller for biomolekylære motorer ud fra enkeltmolekylære billeddannelsesdata for bevægelse med den bayesiske inferensramme. Driftsmekanismen for en lineær molekylær motor "chitinase, "som bevæger sig envejs på en kitinkæde med nedbrydning af kæden forbi, blev belyst ved matematisk modellering af eksperimentelle billeddannelsesdata med metoden.

Biomolekylære motorer i celler genererer ensrettet bevægelse, forbruge kemisk energi opnået ved, for eksempel, hydrolyse af ATP. Bekræftelse af funktionsprincippet for sådanne molekylære motorer, som er naturfremstillede nanomaskiner sammensat af proteiner, har tiltrukket megen opmærksomhed. Enkeltmolekylebilleddannelse, som direkte kan fange bevægelsen af ​​molekylære motorer, er en lovende teknik til at forstå driftsprincippet for molekylære motorer. Imidlertid, det er stadig uklart, hvordan forbruget af kemisk energi, dvs. ændringer i kemiske tilstande for sådanne motorproteiner, giver anledning til den ensrettede bevægelse af hele motorerne. Forskere ved Institute for Molecular Science og Shizuoka University har fundet ændringen af ​​formerne for frie energiprofiler langs bevægelsen af ​​en molekylær motor udløst af kemiske tilstandsændringer i motoren.

Forskerne forsøgte først at etablere en beregningsmodel til at beskrive molekylmotorernes bevægelse. Motors bevægelse kan betragtes som diffusiv bevægelse på frie energiprofiler, der skifter i henhold til de kemiske tilstande for molekyler, der består af motoren. Mere specifikt, som vist i fig. 1A, motoren bevæger sig først på den frie energioverflade af kemisk tilstand 1 (rød) af motormolekylerne, og bevæger sig derefter på den frie energioverflade i kemisk tilstand 2 (blå). Imidlertid, denne kemiske tilstandsskift observeres normalt ikke ved enkeltmolekylær billeddannelse. Forskerne behandlede overgangen mellem de kemiske tilstande ved hjælp af en skjult Markov -model, hvor de kemiske tilstande betragtes som "skjulte" tilstande (fig. 1B).

Ved hjælp af denne skjulte Markov -model, det er muligt at beregne "sandsynlighed, "som vurderer sandsynligheden for at vise, hvor godt modellen forklarer den faktiske enkeltmolekylbevægelses bane. Det er også muligt at indarbejde viden om de frie energiprofiler som tidligere sandsynligheder. Forskerne har udviklet en metode til at estimere kemisk tilstand- afhængige gratis energiprofiler, diffusionskoefficienter på hver profil, og hastighedskonstanter for overgange mellem disse tilstande inden for Bayesian inferensrammen ved Monte Carlo -prøveudtagning ved hjælp af posterior sandsynligheder udtrykt som et produkt af sandsynligheden og de tidligere sandsynligheder.

Derefter, metoden udviklet i denne undersøgelse blev anvendt til at analysere bevægelsen af ​​chitinase, en lineær molekylær motor, observeret ved enkeltmolekylebilleddannelse. Analyse af banedata for ensrettet bevægelse af chitinase med nedbrydning af en kitinkæde afslørede de karakteristiske frie energiprofiler, der styrer bevægelsen (fig. 2). Resultaterne af analysen viste, at en chitinase kommer på en skinne af kitinkæde over en relativt lav fri energibarriere ved brunsk bevægelse. Derefter, den ensrettede bevægelse opnås ved at skifte kemiske tilstande gennem hydrolysereaktionen i kitinkæden og dissociation af reaktionsprodukterne. Den foreliggende undersøgelse giver et fysisk grundlag for den "brændte bro" Brownian skralde mekanisme, som forskerne tidligere har rapporteret.

"Vi vil anvende vores metode udviklet i denne undersøgelse på forskellige molekylære motorer og håber at tydeliggøre ligheder og forskelle i mekanismerne for molekylmotorerne. Vi tror på, at nye fund vil blive opnået ved vores metode i fremtiden og giver os et fingerpeg om de generelle driftsprincipper for molekylære motorer. Undersøgelser ved hjælp af vores metode vil bane vejen for at designe nye kunstige molekylmotorer, "sagde Okazaki.