De levende cel kan worden gezien als een fabriek waar eiwitmachines de leiding hebben over verschillende processen, zoals transport van materiaal in de cel of operaties met andere macromoleculen zoals DNA. Hun werking wordt meestal gevoed door ATP-moleculen, de belangrijkste energiedrager in biologische cellen. De chemische energie die wordt gewonnen door ATP-hydrolyse wordt door een eiwitmachine gebruikt om cyclisch van vorm te veranderen en zo een bepaalde functie uit te voeren. Vandaar, het oplossen van functionele conformationele veranderingen in eiwitten is een grote uitdaging, met fundamenteel belang voor het begrip en de controle van biologische motoren en machines met één molecuul.

De complexiteit van interacties tussen atomen in een eiwitmachine is zo hoog dat zelfs 's werelds beste supercomputers niet slechts één van hun bedrijfscycli kunnen reproduceren. In dit overzichtsartikel het is echter aangetoond dat essentiële aspecten van de werking van dergelijke natuurlijke nano-apparaten al kunnen worden onthuld door zeer eenvoudige mechanische modellen van eiwitten te onderzoeken, d.w.z. door dergelijke macromoleculen te behandelen als elastische netwerken die worden verkregen door deeltjes te verbinden met een set elastische veren.

De auteurs, professor Alexander Mikhailov en assistent-professor Holger Flechsig van het Nano Life Science Institute aan de Kanazawa University in Japan, beweren dat elastische netwerken die overeenkomen met eiwitmachines met functionele dynamiek speciale eigenschappen hebben, ontstaan ​​in het proces van biologische evolutie. Ondanks een schijnbare complexiteit, interne bewegingen in dergelijke systemen verlopen op een geordende manier, alsof ze langs verborgen sporen worden geleid. Dus, een moleculaire machine gedraagt ​​zich vergelijkbaar met macroscopische mechanische apparaten met sterk gecoördineerde bewegingen van hun onderdelen. Dit zorgt ervoor dat de cellulaire fabriek robuust kan functioneren ondanks sterke fluctuaties op nanoschaal.

Met behulp van deze aanpak, simulaties die volledige bedrijfscycli bestrijken, konden worden uitgevoerd en zo werden de eerste moleculaire films van eiwitmachines verkregen. Als voorbeeld, Fig.1 van de oorspronkelijke publicatie van 2010 door de auteurs laat zien hoe het helicase-motoreiwit van het hepatitis C-virus - een belangrijk onderdeel van zijn replicatiemachinerie en een belangrijk farmacologisch doelwit voor antivirale geneesmiddelen - actief langs het DNA beweegt en het mechanisch openritst.

Kunstmatige eiwitachtige structuren met machine-eigenschappen zouden bovendien kunnen worden ontworpen door een computerevolutie van elastische netwerken uit te voeren. In Fig. 2 worden twee voorbeelden getoond, een ontworpen modelmachine die binnen een biologisch membraan werkt, en een machine die allosterische communicatie vertoont.

Dit overzichtsartikel presenteert een nieuw perspectief in het begrijpen van de complexe machinerie van biologische cellen. Het maakt ook de weg vrij voor nieuwe benaderingen bij het ontwerp van kunstmatige nanomachines - een taak met een groot potentieel voor toekomstige biotechnologische toepassingen.