In de cellen van elk levend organisme - mensen, vogels, bijen, rozen en zelfs bacteriën - eiwitten trillen met microscopische bewegingen die hen helpen vitale taken uit te voeren, variërend van celherstel tot fotosynthese.

Deze levengevende bevingen zijn het onderwerp van een studie die op 4 maart is gepubliceerd Natuurcommunicatie .

Een team onder leiding van de natuurkundige Andrea Markelz van de Universiteit van Buffalo meldt dat het een methode heeft ontwikkeld om snel de unieke trillingen van eiwitten te meten.

De vooruitgang zou nieuwe mogelijkheden kunnen openen in biologisch onderzoek, zoals het efficiënter bestuderen van de microscopische bewegingen van eiwitten, of gebruik maken van trillingspatronen als "vingerafdrukken" om snel te bepalen of specifieke eiwitten in een laboratoriummonster aanwezig zijn.

Wetenschappers zouden de nieuwe techniek ook kunnen gebruiken om snel te beoordelen of geneesmiddelen die zijn ontworpen om de trillingen van een eiwit te remmen, werken. Dit zou vereisen dat de vibratiesignaturen van eiwitten voor en na de toepassing van remmers worden vergeleken.

"Eiwitten zijn elegante en robuuste nanomachines die de natuur heeft ontwikkeld, " zegt Markelz, doctoraat, een professor in de natuurkunde aan de UB College of Arts and Sciences. "We weten dat de natuur moleculaire bewegingen gebruikt om deze machines te optimaliseren. Door de onderliggende principes van deze optimalisatie te leren, we kunnen nieuwe biotechnologie voor medicijnen ontwikkelen, energie oogsten en zelfs elektronica."

Katherine A. Niessen, doctoraat, een UB-onderzoeker die nu ontwikkelingswetenschapper is bij Corning, is de eerste auteur van het artikel, waaronder bijdragen van wetenschappers van de afdeling Natuurkunde van de UB, de UB-afdeling Structurele Biologie in de Jacobs School of Medicine and Biomedical Sciences aan de UB, het Hauptman-Woodward Medical Research Institute, het nationale hart, Long, en Blood Institute en de Universiteit van Wisconsin-Milwaukee. Het werk werd gefinancierd door de National Science Foundation en het Amerikaanse ministerie van Energie.

Eiwittrillingen sneller meten

Markelz is een vooraanstaand expert op het gebied van de studie van eiwittrillingen. Door deze bewegingen kunnen eiwitten snel van vorm veranderen, zodat ze zich gemakkelijk aan andere eiwitten kunnen binden - een proces dat essentieel is voor de normale biologische functie.

Een aantal jaar geleden, Markelz' lab ontwikkelde een techniek genaamd anisotrope terahertz microscopie (ATM) om eiwittrillingen in detail te observeren, inclusief de energie en richting van bewegingen.

bij geldautomaat, onderzoekers schijnen terahertz-licht op een molecuul. Vervolgens, ze meten de frequenties van het licht dat het molecuul absorbeert. Dit geeft inzicht in de beweging van de moleculen omdat moleculen trillen met dezelfde frequentie als het licht dat ze opzuigen.

De nieuwe studie in Natuurcommunicatie meldt dat het team van Markelz ATM heeft verbeterd door een van de beperkingen van de methode te overwinnen:de noodzaak om eiwitmonsters meerdere keren nauwgezet te roteren en opnieuw te centreren in een microscoop om voldoende bruikbare gegevens te verzamelen.

Nutsvoorzieningen, "in plaats van het eiwitmonster te roteren, we roteren de polarisatie van het licht dat we op het monster schijnen, " zegt Markelz. Met deze aanpassing, het duurt slechts 4 uur om bruikbare metingen uit te voeren - zes keer sneller dan voorheen. De nieuwe techniek genereert ook meer gedetailleerde gegevens.

Een gevoelige 'fingerprint'-techniek

Door gebruik te maken van de nieuwe aanpak, Markelz en collega's maten de trillingen van vier verschillende eiwitten, het genereren van een herkenbare vibrerende "vingerafdruk" voor elk die bestond uit het unieke lichtabsorptiepatroon van het molecuul.

De onderzochte eiwitten waren kippenei-wit lysozyme (een goed onderzocht eiwit in het veld), fotoactieve gele eiwitten (waarvan wordt gedacht dat ze bepaalde fotosynthetiserende bacteriën helpen beschermen tegen ultraviolet licht), dihydrofolaatreductase (een geneesmiddeldoelwit voor antibiotica en kanker), en RNA G-quadruplexen (waarvan wordt gedacht dat ze betrokken zijn bij vitale cellulaire functies zoals genexpressie).

De nieuwe methode produceerde duidelijke lichtabsorptiespectra voor lysozymen van kippeneiwit die vrij konden bewegen versus lysozymen van kippeneiwit die waren gebonden door een verbinding die de functie van de lysozymen remt en hun trillingen verandert. Dit demonstreert het nut van de techniek bij het snel identificeren van de aanwezigheid van een werkende remmer.