Lys bruges til at måle den store strækning i edderkoppesilkeproteiner

Mens man arbejder på at forbedre et værktøj, der måler skub og træk, der registreres af proteiner i levende celler, biofysikere hos Johns Hopkins siger, at de har opdaget en grund til, at edderkoppers silke er så elastisk:Stykker af silkens proteintråde virker som superfjedre, strækker sig til fem gange deres oprindelige længde. Efterforskerne siger, at værktøjet vil kaste lys over mange biologiske begivenheder, herunder skiftende kræfter mellem celler under cancermetastaser.

"Alle andre kendte kilder, biologiske og ikke-biologiske, forlænges på en måde, der er direkte proportional med den kraft, der påføres dem, indtil de er blevet strakt til omkring 20 procent af deres oprindelige længde, " bemærker Taekjip Ha, Ph.D., undersøgelsens ledende forsker. "På det tidspunkt, du skal bruge mere og mere kraft for at strække dem samme afstand som før. Men det stykke af edderkoppesilkeproteinet, vi fokuserede på, fortsætter med at strække sig direkte i forhold til den påførte kraft, indtil det når sin maksimale strækning på 500 procent."

Detaljer om forskningen blev offentliggjort online i tidsskriftet Nano bogstaver den 5. feb.

Ha, en Bloomberg Distinguished Professor i biofysik og biofysisk kemi ved Johns Hopkins University School of Medicine, siger, at den nye opdagelse kom under opfølgning på forskning, han og hans team, derefter på University of Illinois i Urbana-Champaign, beskrevet i journalen Natur i 2010, arbejde udført i samarbejde med cellebiologer ledet af Martin Schwartz, derefter på University of Virginia.

Virginia-teamet oprettede disse eksperimenter ved at indsætte en gentagen aminosyresekvens - taget fra edderkoppesilkeproteinet kendt som flagelliform - i et menneskeligt protein kaldet vinculin. Vinculin er ansvarlig for at internalisere kræfter uden for en celle ved at bygge bro mellem cellemembranen og actin-netværket i cellen, hvilket gør det til en vigtig mekanisk kommunikator i cellen.

Forskerne flankerede også den flagelliforme indsats i vinculin med to fluorescerende proteiner for at lyse op og "rapportere", hvad der foregik gennem fluorescensresonansenergioverførsel, eller FRET. FRET opstår, når et fluorescerende molekyle er tæt nok på et andet, til at det aktiverer det andet. Så, når vinkulin blev afslappet i en celle, det "glødede" gult, farven på det andet fluorescerende protein, der aktiveres af det første. Mens vinculin strakte sig, det begyndte at lyse blåt - farven på det første fluorescerende protein - fordi den forlængede afstand mellem de to gjorde FRET-aktivering af det gule protein umulig.

Ved hjælp af almindelig fluorescensmikroskopi, forskerne var i stand til at se kræfterne, der virker på vinculin i levende celler i realtid. Men et problem forblev:hvordan man oversætter de skiftende farver til målinger af kraft "følet" af vinculin.

Det var her hans hold kom ind, siger Ha. Forskerne fæstnede den ene ende af modificeret vinculin til en glasplade og den anden til en tjor lavet af DNA med en lille plastikperle for enden. De trak så i perlen med hvad Ha beskriver som "spisepinde lavet af lys, " at fokusere en lysstråle på et lille sted i nærheden og generere en tiltrækkende kraft, der trak perlen mod lyskilden. På den måde, Ha siger, hans efterforskere kunne forbinde mængden af ​​FRET med mængden af ​​kraft på vinculin, giver dem mulighed for at måle de dynamiske kræfter, der virker på proteiner i levende celler blot ved at afbilde dem.

I den tidligere undersøgelse, holdet indsatte 40 flagelliforme aminosyrer i vinculin, sammensat af otte gentagelser af aminosyresekvensen GPGGA. I denne nye undersøgelse, forskerne ønskede at lære mere om det flagelliforme værktøj ved at variere dets længde, så de lavede indsatser med fem og 10 gentagelser for at teste sammen med den originale indsats på otte. Hvad de fandt er, at den korteste indsats var den mest lydhøre over for det bredeste spektrum af kræfter, reagerer med lineære stigninger i længden på kræfter fra 1 til 10 piconewtons. (Ha siger, at 1 piconewton er cirka vægten af ​​en bakterie.)

Holdet forventede ikke, at edderkoppesilkeindsatserne ville vise en sådan lineær adfærd, fordi ifølge Ha, de danner ikke veldefinerede, tredimensionelle strukturer. "Som regel, ustrukturerede proteiner viser uorden, ikke-lineær adfærd, når vi trækker i dem, " siger Ha. "Det faktum, at disse ikke opfører sig på den måde, betyder, at de vil være virkelig nyttige værktøjer til at studere proteinmekanik, fordi deres adfærd er nem at forstå og forudsige."

Allerede, Ha siger, den flagelliforme indsats med otte gentagelser fra tidligere forskning er blevet brugt til at studere mange biologiske fænomener, herunder skiftende kræfter mellem celler under kræftmetastaser og skubning og trækning af celler under udvikling af simple, flercellede organismer, som orme.

"Spændinger er vigtig for mange aktiviteter inde i celler, " siger Ha. "Celler fornemmer mekaniske kræfter i deres omgivelser og ændrer deres adfærd og funktioner som reaktion. Nu har vi en måde at se og forstå disse kræfter og hvordan de overføres på molekylært niveau i levende celler."