Een team van biofysici van de University of Massachusetts Amherst en Penn State College of Medicine ging op zoek naar de al lang bestaande vraag over de aard van krachtopwekking door myosine, de moleculaire motor die verantwoordelijk is voor spiercontractie en vele andere cellulaire processen. De belangrijkste vraag die ze behandelden - een van de meest controversiële onderwerpen in het veld - was:hoe zet myosine chemische energie om, in de vorm van ATP, in mechanisch werk?

Het antwoord onthulde nieuwe details over hoe myosine, de motor van spieren en verwante motoreiwitten, energie omzet.

Uiteindelijk, hun ongekende onderzoek, minutieus herhaald met verschillende controles en dubbel gecontroleerd, ondersteunden hun hypothese dat de mechanische gebeurtenissen van een moleculaire motor voorafgaan aan - in plaats van volgen - de biochemische gebeurtenissen, een directe uitdaging voor de lang gekoesterde opvatting dat biochemische gebeurtenissen de krachtgenererende gebeurtenis poorten. Het werk, gepubliceerd in de Tijdschrift voor biologische chemie , werd geselecteerd als Editor's Pick voor "het leveren van een uitzonderlijke bijdrage aan het veld."

Complementaire experimenten voltooien om myosine op het kleinste niveau te onderzoeken, de wetenschappers gebruikten een combinatie van technologieën:lasertrapping met één molecuul bij UMass Amherst en FRET (fluorescentieresonantie-energieoverdracht) bij Penn State en de Universiteit van Minnesota. Het team werd geleid door spierbiofysicus Edward "Ned" Debold, universitair hoofddocent aan de UMass Amherst School of Public Health and Health Sciences; biochemicus Christopher Yengo, professor aan het Penn State College of Medicine; en spierbiofysicus David Thomas, professor aan het College of Biological Sciences aan de Universiteit van Minnesota.

"Dit was de eerste keer dat deze twee geavanceerde technieken zijn gecombineerd om een ​​moleculaire motor te bestuderen en een eeuwenoude vraag te beantwoorden, Debold zegt. "We kennen al 50 jaar de brede reikwijdte van hoe dingen als spieren en moleculaire motoren werken, maar we wisten niet de details van hoe dat gebeurt op het kleinste niveau, de bewegingen op nanoschaal. Het is alsof we onder de motorkap van een auto kijken en onderzoeken hoe de motor werkt. Hoe neemt het de brandstof op en zet het om in werk als je het gaspedaal indrukt?"

Met behulp van zijn single molecule laser trap-assay in zijn lab, Debold en zijn team, waaronder afgestudeerde studenten Brent Scott en Chris Marang, waren in staat om de grootte en snelheid van de mechanische bewegingen op nanoschaal van myosine direct te observeren terwijl het interageerde met een enkel actinefilament, zijn moleculaire partner in krachtgeneratie. Ze merkten op dat de krachtgenererende stap, of krachtslag, heel snel gebeurd, bijna net zo snel als het aan het actinefilament bindt.

In parallelle experimenten met FRET-assays, Het team van Yengo bevestigde deze hoge snelheid van de powerstroke en toonde met aanvullende studies aan dat de belangrijkste biochemische stappen later en veel langzamer plaatsvonden. Verdere analyse onthulde voor het eerst hoe deze gebeurtenissen kunnen worden gecoördineerd door de intramoleculaire bewegingen diep in het myosinemolecuul.

"Chris Yengo verzamelde zijn gegevens apart van de mijne en we combineerden en integreerden de resultaten, "zegt Debold. "Ik kon dingen zien die hij niet kon zien, en hij kon dingen zien die ik niet kon zien, en in combinatie konden we nieuwe inzichten onthullen in hoe een moleculaire motor energie omzet. Het was duidelijk dat eerst de mechanica plaatsvond, gevolgd door de biochemische gebeurtenissen."

Het benadrukken van het belang van het onderzoeken van energietransductie op nanoschaalniveau heeft zeer brede implicaties, Debold legt uit. "Het gaat niet alleen om hoe spieren werken, "zegt hij. "Het is ook een venster op hoeveel motorenzymen in onze cellen energie omzetten, van degenen die spiercontractie stimuleren tot degenen die ervoor zorgen dat een cel zich deelt."

Gedetailleerde kennis over dat proces zou wetenschappers op een dag kunnen helpen bij het ontwikkelen van behandelingen voor aandoeningen als hartfalen, kanker en meer. "Als je begrijpt hoe de moleculaire motor werkt, je zou die informatie kunnen gebruiken om de functie te verbeteren wanneer het gecompromitteerd is, zoals bij hartfalen, ', zegt Debold. 'Of als je wilde voorkomen dat een tumorcel zich gaat delen, je zou deze informatie kunnen gebruiken om het genereren van geweld te voorkomen. Precies weten hoe krachtopwekking plaatsvindt, kan erg handig zijn voor iemand die een medicijn probeert te ontwikkelen om een ​​moleculaire motor te remmen tijdens celdeling. en uiteindelijk kanker."