Er is een nieuwe wiskundige modelleringsmethode ontwikkeld om operatiemodellen van biomoleculaire motoren te schatten op basis van bewegingsgegevens van één molecuul met het Bayesiaanse inferentieraamwerk. Het werkingsmechanisme van een lineaire moleculaire motor "chitinase, " die in één richting beweegt op een chitineketen met degradatie van de ketting die voorbijgaat, werd opgehelderd door wiskundige modellering van experimentele beeldgegevens met de methode.

Biomoleculaire motoren in cellen genereren unidirectionele beweging, verbruiken chemische energie gewonnen door, bijvoorbeeld, hydrolyse van ATP. Opheldering van het werkingsprincipe van dergelijke moleculaire motoren, dat zijn door de natuur gemaakte nanomachines die zijn samengesteld uit eiwitten, heeft veel aandacht getrokken. Beeldvorming met één molecuul, die de beweging van moleculaire motoren direct kan vastleggen, is een veelbelovende techniek om het werkingsprincipe van moleculaire motoren te begrijpen. Echter, het is nog onduidelijk hoe het verbruik van chemische energie, d.w.z., verandering in chemische toestanden van dergelijke motoreiwitten, geeft aanleiding tot de eenrichtingsbeweging van de gehele motoren. Onderzoekers van het Institute for Molecular Science en Shizuoka University hebben de verandering van de vormen van vrije energieprofielen gevonden langs de beweging van een moleculaire motor veroorzaakt door veranderingen in de chemische toestand van de motor.

De onderzoekers probeerden eerst een rekenmodel op te stellen om de beweging van de moleculaire motoren te beschrijven. De beweging van een motor kan worden beschouwd als diffuse beweging op vrije energieprofielen die schakelen volgens de chemische toestanden van moleculen die uit de motor bestaan. Specifieker, zoals getoond in Fig. 1A, de motor beweegt eerst op het vrije energie-oppervlak van chemische toestand 1 (rood) van de motormoleculen, en beweegt dan op het vrije-energieoppervlak van chemische toestand 2 (blauw). Echter, deze omschakeling van chemische toestand wordt meestal niet waargenomen bij beeldvorming met één molecuul. De onderzoekers behandelden de overgang tussen de chemische toestanden met behulp van een verborgen Markov-model waarin de chemische toestanden als "verborgen" toestanden worden beschouwd (Fig. 1B).

Met behulp van dit verborgen Markov-model, is het mogelijk om "waarschijnlijkheid, " die de waarschijnlijkheid evalueert om te laten zien hoe goed het model het traject van de werkelijke beweging van één molecuul verklaart. Het is ook mogelijk om kennis van de vrije energieprofielen op te nemen als eerdere kansen. De onderzoekers hebben een methode ontwikkeld voor het schatten van de chemische toestand- afhankelijke vrije energieprofielen, diffusiecoëfficiënten op elk profiel, en snelheidsconstanten van overgangen tussen deze toestanden binnen het Bayesiaanse gevolgtrekkingsraamwerk door Monte Carlo-bemonstering met behulp van posterieure kansen uitgedrukt als een product van de waarschijnlijkheid en de eerdere kansen.

Vervolgens, de in de huidige studie ontwikkelde methode werd toegepast om de beweging van chitinase te analyseren, een lineaire moleculaire motor, waargenomen door beeldvorming met één molecuul. Het analyseren van trajectgegevens van unidirectionele beweging van chitinase met degradatie van een chitineketen onthulde de karakteristieke vrije-energieprofielen die de beweging bepalen (figuur 2). Resultaten van de analyse toonden aan dat een chitinase door Brownse beweging op een rail van chitineketen terechtkomt over een relatief lage vrije-energiebarrière. Vervolgens, de unidirectionele beweging wordt bereikt door chemische toestanden te veranderen door de hydrolysereactie van de chitineketen en dissociatie van de reactieproducten. De huidige studie biedt een fysieke basis voor het "burnt-bridge" Browniaanse ratelmechanisme dat de onderzoekers eerder hebben gerapporteerd.

"We zullen onze methode die in deze studie is ontwikkeld toepassen op verschillende moleculaire motoren en hopen de overeenkomsten en verschillen in de mechanismen van de moleculaire motoren te verduidelijken. We geloven dat onze methode in de toekomst nieuwe bevindingen zal opleveren en ons een idee geven van de algemene werkingsprincipes van moleculaire motoren. Studies met onze methode zullen de weg vrijmaken voor het ontwerpen van nieuwe kunstmatige moleculaire motoren, ' zei Okazaki.