Elk van onze cellen is omgeven door een complex membraan dat functioneert als een biologische grens, ionen en voedingsstoffen zoals zout, kalium en suiker in en uit. De bewakers zijn membraaneiwitten, die het harde werk doen om het verkeer van deze moleculen toe te staan ​​of te blokkeren.

Koorden van gebonden watermoleculen, waterdraden genoemd, spelen een belangrijke rol in dit proces dat als goed begrepen werd beschouwd. Nutsvoorzieningen, een team van het National High Magnetic Field Laboratory (MagLab), met het hoofdkantoor van de Florida State University, heft decennialange veronderstellingen op over hoe ze daadwerkelijk interageren met eiwitten.

Hun paper werd vandaag gepubliceerd in de Proceedings van de National Academy of Sciences .

Terwijl wetenschappers wisten dat waterdraden een rol speelden bij het geleiden van voedingsstoffen door het celmembraan, ze onderschatten hun interacties met het membraankanaal enorm. Deze bevinding heeft wijdverbreide gevolgen, onderzoekers zeiden, bestaande modellen van hoe water zich in andere eiwitten gedraagt, in twijfel trekken.

"Dat is waar dit echt interessant wordt vanuit een biologisch perspectief, " zei corresponderende auteur Tim Cross, directeur van de in Tallahassee gebaseerde nucleaire magnetische resonantie (NMR) faciliteit bij het National MagLab en de Robert O. Lawton Professor of Chemistry. "Nu begrijpen we dat die interacties tussen het water en de zuurstofatomen van het eiwit in de porie veel sterker zullen zijn dan iemand had verwacht. En dat zal van invloed zijn op hoe deze eiwitten functioneren."

Het werk is ook belangrijk, Kruis heeft toegevoegd, omdat het laat zien hoe een uniek, wereldrecordmagneet, bekend als de Series Connected Hybrid (SCH), geeft wetenschappers toegang tot nieuwe details over eiwitten en andere biologische systemen.

Hun studie richtte zich op gramicidine A, een antibiotisch peptide (of klein eiwit) dat de vorm heeft van een helix. Twee van deze moleculen die op elkaar zijn gestapeld, creëren een smal kanaal in sommige celmembranen waardoor ionen in en uit kunnen gaan. Een acht moleculen lange waterdraad die de lengte van het kanaal overspant, werkt in dit proces als een soort smeermiddel. De waterstofatomen in die watermoleculen binden zich met enkele van de zuurstofatomen in het gramicidine dat hen omringt. Men dacht dat de oriëntaties van de waterdraadmoleculen extreem snel zouden veranderen, binden en ontbinden met zuurstofatomen in de gramicidine A vele malen per nanoseconde.

Echter, toen het MagLab-team dit systeem onder de loep nam, ze ontdekten iets dat die heersende opvatting in twijfel trok. Hun eerste aanwijzing kwam ongeveer twee jaar geleden, toen Joana Paulino, daarna postdoctoraal onderzoeker bij het MagLab bij Cross, deed wat speciaal behandeld gramicidine A in de SCH en voerde enkele NMR-experimenten uit.

Wetenschappers gebruiken NMR-machines om de structuur en functie van complexe moleculen zoals eiwitten en virussen beter te begrijpen. Ze kunnen de machine afstemmen om te identificeren, bijvoorbeeld, alle natriumatomen in een monster en hun oriëntaties ten opzichte van andere atomen. Elk atoom stuurt een verklikkersignaal terug naar de machine.

Maar sommige atomen zijn met NMR gemakkelijker te detecteren dan andere. Zuurstof, bijvoorbeeld, is vrij moeilijk te zien. Dus, tot voor kort, een van de biologisch meest actieve atomen in het lichaam was vrijwel onzichtbaar voor NMR. Mede dankzij een krachtige magneet die een veld van 36 teslas genereert (een eenheid van magnetische veldsterkte), de SCH kan zuurstof "zien".

De specifieke gramicidinemonsters waar Paulino naar keek, waren jaren eerder al grondig bestudeerd in een andere krachtige NMR-magneet in het MagLab. Cross vestigde zijn carrière met zijn werk aan gramicidine, bekend als een perfect symmetrische structuur:het laatste wat hij verwachtte was een verrassing.

Het gramicidinemonster bestond uit twee identieke, gestapeld, spiraalvormige moleculen. Paulino onderzocht exact hetzelfde zuurstofatoom op beide, in de hoop dat de gevoeligere SCH een duidelijker signaal van die twee atomen zou detecteren dan eerder was waargenomen.

Maar ze zag niet slechts één zuurstofsignaal:ze zag er twee.

Op het eerste gezicht, de resultaten leken te suggereren dat er iets mis was met het model van een perfect symmetrische gramicidine A - het model dat Cross zijn ambtstermijn had opgeleverd. Zijn onmiddellijke reactie op Paulino's metingen was:"We zullen, dat moet fout zijn."

Zijn volgende gedachte:"Of, dit zou iets heel interessants kunnen zijn."

Herhaalde experimenten toonden aan dat Paulino's eerste resultaat inderdaad correct was, maar niet omdat de moleculen asymmetrisch waren. Liever, de SCH was zo gevoelig dat het één signaal detecteerde van een gramicidinezuurstof die aan de waterdraad was gebonden, en een afzonderlijk signaal van een gramicidinezuurstof die niet aan de draad was gebonden.

Het team heeft jarenlang meer experimenten uitgevoerd om er zeker van te zijn dat ze begrepen wat ze zagen.

"Elke keer dat we een monster gramicidine lieten lopen dat op een andere zuurstoflocatie was gelabeld en we zagen twee pieken, we deden een dansje, " zei Paulino, hoofdauteur van het papier en nu een postdoctoraal wetenschapper in biochemie en biofysica aan de Universiteit van Californië in San Francisco.

Het feit dat de SCH het signaal van de gebonden zuurstof kon detecteren, de onderzoekers bepaalden, betekende dat de interacties tussen de waterdraad en de poriewand van de gramacidine A veel sterker en langduriger waren - meer dan een miljoen keer langer, in feite, dan wetenschappers hadden gedacht.

"De energieën die bij het proces horen, zijn duidelijk anders dan gedacht, ' zei Cross. 'Dus, we moeten nu teruggaan en kijken naar de energieën en hoe deze waterdraden eigenlijk werken."

De bevindingen zijn relevant voor veel andere soorten eiwitten met waterdraden in hun celmembranen.

"De opwinding is nu om echt te gaan nadenken over al deze andere waterdraden in eiwitten die ionen geleiden die essentieel zijn voor het leven, "Kruis zei "en om te begrijpen hoe dit die interacties en geleidingssnelheden gaat beïnvloeden."

De bevindingen zullen waarschijnlijk sommige wetenschappelijke veren in de war brengen omdat ze in tegenspraak zijn met computationele modellen van de moleculaire dynamica van waterdraden die al tientallen jaren worden geaccepteerd, zei Kruis.

"Wetenschappers hebben een vrij goed begrip van veel dingen, Cross legde uit. "Maar af en toe, iets komt uit de lucht vallen en dwingt ons om dingen te heroverwegen. Er is niets dat erop zou wijzen dat er een probleem was met die computationele studies - tot dit."