NIH-bevilling øger ASU-forskningen i molekylære motorer

Bemyndiget af en bevilling på $1,2 millioner fra National Institutes of Health (NIH), Arizona State University-forskeren Wayne Frasch er ved at dechifrere, hvordan en af ​​verdens mindste molekylære motorer fungerer i levende celler. I processen, han kaster også lys på et fysikpuslespil, der har forvirret videnskabsmænd i mere end 40 år.

Frasch, professor ved School of Life Sciences, undersøger Fo molekylær motor, dens virkningsmekanisme og hvordan den samarbejder med F1-motoren som en del af FoF1 ATP-syntasen. Ved omkring 10 nanometer i diameter, hver motor er 10, 000 gange mindre end bredden af ​​et stykke papir. I levende ting, Fo og F1 er fastgjort af en fælles roterende aksel, der gør det muligt for de to motorer at arbejde sammen og levere energi til celler i form af adenosintrifosfat (ATP).

Forskning af motorer i nanoskala er ikke kun kompliceret af størrelse. Molekylære motorer fungerer via ekstremt små bevægelser, der sker på tidsskalaer, der har været ekstraordinært svære at måle. Den molekylære Fo-motor er også indlejret i en levende celles lipidmembran, som kun er to molekyler tyk. Tilføjelse til den eksperimentelle udfordring er det faktum, at molekylmotorernes rotationsenergi opstår fra strømmen af ​​protoner, positivt ladede atomare partikler, hen over den membran.

Frasch-laboratoriet er blandt kun nogle få laboratorier, der er udstyret til at visualisere, hvordan et enkelt molekyle i Fo-motoren roterer. Frasch og hans ASU College of Liberal Arts and Sciences-kolleger har udviklet et eksperimentelt system, der indlejrer Fo-motoren i et kunstigt phospholipid-dobbeltlag, der er lagt ned i nanodiske, som er med til at stabilisere de molekylære komplekser. Fraschs gruppe udtænkte derefter en billedstrategi, ved hjælp af guld nanorods knyttet til Fo til at overvåge rotationen af ​​de enkelte FoF1 molekyler.

"Ved at vide mere om disse små, men ekstraordinært effektive – næsten 100 procent – ​​molekylære motorer tilbyder en mulighed for udvikling af nye teknologier, såsom strømkilder til brændstofeffektive nanoenheder og nanoteknologiske applikationer som molekylær detektion, databehandling og biomedicin, " siger Frasch.

Et tidligt resultat af Frasch og ASU-holdets FoF1-eksperimenter, for nylig offentliggjort i EMBO Journal, giver lokkende nye spor i en gammel gåde:en Brownsk skralde, som først blev foreslået af fysikeren Richard Feynman for mere end 40 år siden.

"Tidligere undersøgelser af Fo-motoren fik forskere til at foreslå, at Fo indeholder en molekylær skralde, der er i stand til at påvirke Brownsk bevægelse, den tilfældige bevægelse af molekyler, på en måde, der favoriserer rotation i retning af ATP-syntese, ” siger Frasch. "Men Der eksisterede kun få beviser for typen af ​​periodiske afbrydelser i rotation, der er i overensstemmelse med denne type skraldemekanisme."

Hvad man vidste, er, at strømmen af ​​protoner over membranen gennem Fo-kanaler i en statisk underenhed-"a" driver rotation med uret af "c"-ringrotoren bestående af 10 c-underenheder, der hver transporterer en enkelt proton. Denne rotation med uret driver igen ATP-syntese, som opstår i F1-motoren, fordi c-ringen fastgøres til den ene ende af akslen, der forbinder enhederne Fo og F1.

Ved at bruge en guld nanorod fastgjort til c-ringen af ​​et enkelt FoF1-molekyle, Fraschs gruppe kan undersøge motorens rotation mere i dybden. Gruppen måler ændringer i lysintensiteten fra guldnanoroden, når den (og c-ringen) roterer, hvilket gør det muligt for ASU-teamet at "se", at c-ringens roterende bevægelse periodisk afbrydes. "Når underenhed-a tog fat i underenhed-c, interaktionen opførte sig som en snor, lader c-ringen rotere, men med en grænse på 36 graders trin, mens den er aktiveret – som en skralde, Frasch siger, "Denne periodiske afbrydelse fandt kun sted under forhold, hvor der var tilstrækkelig modstand på nanorroden til at bremse motoren, svarende til forhold, der findes i en levende celle, hvor ATP opretholdes på et højt niveau."

Med den nye NIH-finansiering, Fraschs forskergruppe fra School of Life Sciences vil undersøge, om snoren er en del af den længe efterspurgte Browning-skralde. At forstå, hvordan eller hvis Brownsk bevægelse udnyttes i en molekylær skralde, har potentiale til brug i udviklingen af ​​syntetiske molekylære motorer med lavt energiforbrug og energiproduktion på nanoskala.