Een nieuwe studie van MIT-ingenieurs onthult hoe een kleine eiwitmotor over een cellulaire snelweg loopt, vracht vervoert en kracht genereert. De studie, gepubliceerd in het tijdschrift Nature Communications, zou kunnen leiden tot nieuwe manieren om ziekten te behandelen waarbij motoreiwitstoringen optreden.

Het motoreiwit, kinesine-1 genaamd, is verantwoordelijk voor het transport van belangrijke ladingen door de cel. Het beweegt langs microtubuli, dit zijn lange, dunne filamenten die het cytoskelet van de cel vormen. Kinesine-1 gebruikt energie uit ATP, de energievaluta van de cel, om stappen langs de microtubulus te zetten en zijn lading met zich mee te dragen.

Het MIT-team gebruikte een combinatie van een optisch pincet en beeldvorming met één molecuul om te bestuderen hoe kinesine-1 beweegt. Ze ontdekten dat het eiwit een 'hand-over-hand'-beweging maakt, waarbij het ene hoofd wordt gebruikt om zich aan de microtubulus te binden, terwijl het andere hoofd naar voren zwaait om de volgende stap te zetten.

"We konden het motoreiwit individuele stappen zien zetten, iets dat nog nooit eerder is gezien", zegt hoofdauteur van het onderzoek, James Lockhart, een postdoc bij de afdeling Biologische Technologie. "Hierdoor kregen we een gedetailleerd inzicht in hoe kinesine-1 kracht genereert."

De onderzoekers ontdekten dat kinesine-1 kracht genereert door zijn nek te buigen. Wanneer de nek gebogen is, trekt deze de lading naar voren. Het team identificeerde ook een specifiek residu in de nek van kinesine-1 dat essentieel is voor het genereren van kracht.

"Dit residu lijkt op een ratel", zegt senior auteur Catherine D. Fuh, universitair hoofddocent biologische technologie. “Het zorgt ervoor dat kinesine-1 langs de microtubulus vooruit kan bewegen, maar voorkomt dat deze achteruit beweegt. Dit is belangrijk omdat het ervoor zorgt dat de lading in de juiste richting wordt getransporteerd.”

De bevindingen van het onderzoek zouden kunnen leiden tot nieuwe manieren om ziekten te behandelen waarbij motoreiwitstoringen optreden. Defecten in kinesine-1 zijn bijvoorbeeld in verband gebracht met neurodegeneratieve ziekten zoals de ziekte van Alzheimer en Parkinson. Door te begrijpen hoe kinesine-1 werkt, kunnen onderzoekers mogelijk medicijnen ontwikkelen die deze defecten kunnen corrigeren en de resultaten voor patiënten kunnen verbeteren.

"Onze studie biedt een nieuw inzicht in hoe motoreiwitten kracht genereren", zegt Fuh. "Deze kennis zou kunnen worden gebruikt om nieuwe behandelingen voor verschillende ziekten te ontwikkelen."

Aanvullende informatie

Het artikel, "Single-molecule visualization of kinesin-1 stepping on microtubules", werd op 11 juli 2019 gepubliceerd in het tijdschrift Nature Communications. Het onderzoeksteam bestond uit James Lockhart, Catherine D. Fuh en Michelle A. Kinney van MIT; en John M. Scholey van de Universiteit van Californië, Davis.

Het onderzoek werd gefinancierd door de National Institutes of Health en de Muscular Dystrofy Association.