Omdat cellen eiwitten maken, de eiwitten moduleren de synthesesnelheid door een mechanische kracht uit te oefenen op de moleculaire machine die ze maakt, volgens een team van wetenschappers die een combinatie van computationele en experimentele technieken gebruikten om deze kracht te begrijpen.

Eiwitten voeden veel van de vitale functies van een cel, van het bieden van structuur tot het aanleveren van informatie tot het bestrijden van virussen. Gebrekkige eiwitsynthese is gekoppeld aan tal van ziekten, waaronder subtypes van hemofilie, longcarcinoom, en baarmoederhals- en vulvaire kankers.

"Wat in het afgelopen decennium is waargenomen, is dat als je de snelheid verandert waarmee een eiwit wordt gesynthetiseerd, je kunt veranderen hoe het eiwit zich gedraagt, " zei Edward O'Brien, assistent-professor scheikunde en een medehuurder van het Institute for CyberScience, Penn State. "We hebben geprobeerd nieuwe factoren te identificeren die de snelheid van de eiwitsynthese beïnvloeden."

ribosomen, kleine fabriekjes in de cel, steek aminozuren in een lange keten om eiwitten te maken. Tijdens dit proces, nieuw gesynthetiseerde eiwitsegmenten passeren een smalle tunnel van het ribosoom. Als ze de tunnel verlaten, eiwitten trekken van nature weg van het ribosoom, zei O'Brien.

"Deze eiwitmoleculen bevinden zich graag in gebieden in de ruimte met veel vrij volume waar ze kunnen bewegen, in plaats van in kleine enge ruimtes, ' zei O'Brien.

De kracht die het eiwit uit het ribosoom trekt, is een entropische trekkracht die van nature plaatsvindt, volgens O'Brien. Entropische kracht in een systeem is een kracht die het gevolg is van de neiging van het hele systeem om zijn entropie te vergroten, in plaats van van een bepaalde onderliggende microscopische kracht. Entropie is de neiging van systemen om in de loop van de tijd meer wanordelijk te worden.

"Die trekkracht wordt teruggevoerd naar waar de synthese plaatsvindt in het ribosoom, en moduleert dat proces, ' zei O'Brien.

De onderzoekers observeerden dat ongestructureerde eiwitsegmenten piconewtons van kracht genereren en dat deze kracht wordt overgedragen over de ribosoommoleculaire machine, en dat het de snelheid beïnvloedt waarmee aminozuren aan elkaar worden genaaid.

Het team begon hun studie met experimentele metingen die detecteerden hoeveel eiwitten zich op het ribosoom uitstrekken. De onderzoekers hebben deze informatie ingevoerd in krachtige computersimulaties die maandenlang hebben gedraaid met behulp van zowel de geavanceerde cyberinfrastructuur van het Penn State Institute for CyberScience als de Extreme Science and Engineering Discovery Environment, een door de NSF gefinancierde virtuele organisatie. Met deze simulaties konden ze zien hoe de eiwitsynthese onder tal van omstandigheden werd uitgevoerd.

"Door de factoren te begrijpen die de snelheid van eiwitsynthese bepalen, we kunnen nu beginnen te begrijpen hoe eiwitsynthese stroomafwaartse processen beïnvloedt met betrekking tot eiwitstructuur en -functie, waaronder verschillende ziekten, ' zei O'Brien.

De onderzoekers publiceerden hun bevindingen in de Tijdschrift van de American Chemical Society .