Eiwitten zijn de nanomachines die de natuur gebruikt om de meeste processen uit te voeren die cruciaal zijn voor het metabolisme in cellen. Een van de belangrijkste doelen van de levens- en natuurwetenschappen draait om het begrijpen van de structurele en dynamische eigenschappen van de inheemse, overgang, tussenliggend, en gedenatureerde toestanden van eiwitten. De denaturatie-overgang - gedefinieerd als de overgang van eiwitten van hun specifieke natieve functionele toestand naar de ongevouwen inactieve toestand - is van bijzonder belang, omdat het de grenzen van stabiliteit en functionaliteit van het fasediagram van eiwitten definieert.

Interne subnanoseconde tijdschaalbewegingen zijn ook de sleutel voor het vouwen van eiwitten - zonder dat deze eiwitten niet eens in hun oorspronkelijke structuur zouden kunnen vouwen. Verder, ze zijn extreem gevoelig voor de hoeveelheid en de aard van het oplosmiddel dat het eiwitoppervlak omringt, d.w.z. zowel de amplitude als de snelheid van deze dynamiek kan sterk worden verminderd wanneer eiwitten zijn ingebed in suikerglasmatrices.

Hoewel de wetenschap weet dat deze snelle fluctuaties leiden tot veranderingen in de conformatie van eiwitten, hun rol voor eiwitstabiliteit en ontvouwing blijft nog steeds ongrijpbaar.

De resultaten van een nieuwe studie uitgevoerd aan het Institut Laue-Langevin (ILL), door een samenwerking tussen het CNRS' Laboratoire de Biochimie Théorique (Frankrijk), de universiteiten van Perugia, Pisa en Verona (Italië) en de CNR (Italië), gaf een vernieuwd beeld van het Lindemann-criterium. Bij het uitvoeren van experimenten met elastische neutronenverstrooiing, onderzoekers vonden een gemeenschappelijke schaal naar een constante waarde voor de lokale fluctuaties van een modeleiwit in verschillende omgevingen, bij het naderen van de ontvouwingstemperatuur.

Met behulp van de state-of-the-art instrumenten op IBL, namelijk de wide-Q range backscattering spectrometer IN13, de onderzoekers voerden elastische incoherente neutronenverstrooiingsexperimenten uit op het lysozym-eiwit, kippeneiwit-lysozym (CEWL) in aanwezigheid van verschillende geperdeureerde matrices (D20, glycerol, en glucose). Hierdoor konden ze de sub-nanoseconde tijdschaaldynamiek van het modeleiwit bestuderen in overeenstemming met de zich ontvouwende overgang.

Deze experimentele techniek is zeer gevoelig voor de bewegingen van waterstofatomen, en geschikt voor het verkennen van eiwitbewegingen op een tijdschaal van pico tot nano. Het levert nauwkeurige kwantitatieve metingen op van de amplitude van interne eiwitbewegingen in termen van de waterstofmean-square verplaatsingen (MSD).

Door elastische incoherente neutronenverstrooiing en geavanceerde moleculaire dynamische simulaties te combineren, dat lieten ze zien, hoewel verschillende oplosmiddelen de smelttemperatuur van het eiwit wijzigen, een uniek dynamisch regime wordt bereikt wanneer het dicht bij thermische ontvouwing ligt in alle geteste oplosmiddelen.

Dit doet denken aan het beroemde Lindemann-criterium dat in 1910 werd geïntroduceerd, waar F.A. Lindemann een praktisch criterium ontwikkelde om de smelttemperatuur van kristallen te voorspellen. Verder, de analogie tussen het smelten van anorganische kristallen en natieve biomoleculen suggereert dat deze schijnbaar zeer verschillende systemen gedrag kunnen delen in overeenkomstige faseovergangen.

De gemeenschappelijke schaal voor het eiwit MSD op het smeltpunt werpt niet alleen licht op de relatie tussen eiwitflexibiliteit en stabiliteit, maar opent ook de mogelijkheid om eiwitontvouwing in speciale omgevingen (bijv. het celinterieur) te voorspellen door thermische, lokale schommelingen.

Het door hen voorgestelde criterium kan ook worden toegepast om het temperatuurbereik te onderzoeken waar micro-organismen gedijen, b.v. bij extreme temperatuur- en drukomstandigheden in de diepzee of zelfs in de ruimte.

Dit onderzoek legt mogelijk de basis voor een dieper begrip van het vouwen en ontvouwen van eiwitten, die cruciale processen zijn in het metabolisme van cellen, regulering van biologische activiteit en targeting van eiwitten naar verschillende cellulaire locaties.

Aanvullend, het begrijpen van de functies van eiwitdynamiek is essentieel voor de biotechnologie en de farmaceutische industrie, waar therapeutische principes gebaseerd op eiwitten alleen al op de Amerikaanse markt ongeveer $30 miljard waard zijn.