Op elk moment in het menselijk lichaam, een zorgvuldig gechoreografeerde dans wordt uitgevoerd.

Eiwitten schudden met hun lichaam en zwaaien met hun ledematen, allemaal met als doel hun interactie met andere moleculen te optimaliseren, inclusief andere eiwitten. Deze kleine bewegingen, trillingen genoemd, zorgen ervoor dat de moleculen snel van vorm kunnen veranderen om aan elkaar te binden, wat op zijn beurt taken zoals het absorberen van zuurstof en het repareren van cellen vergemakkelijkt.

De efficiëntie van het lichaam bij het uitvoeren van deze functies hangt af van hoe goed eiwitten kunnen interageren.

Maar wat maakt het ene eiwit beter geschikt dan het andere?

Een nieuwe studie werpt licht op deze vraag, waaruit blijkt dat in deze biologische verkering, dansmoves zijn belangrijk.

"Vroeger, onderzoek naar eiwittrillingen richtte zich veel op de energie van die trillingen, " zegt hoofdwetenschapper Andrea Markelz, doctoraat, een professor in de natuurkunde aan de universiteit van Buffalo College of Arts and Sciences. "Maar wat we ontdekten, is dat de bewegingsrichting er meer toe lijkt te doen. De bewegingsrichting - de richting waarin verschillende delen van het eiwit bewegen - kan echt bepalen hoe goed een eiwit zijn biologische functie vervult."

De bevindingen helpen een basis te leggen voor de ontwikkeling van medicijnen die gericht zijn op moleculaire trillingen. Dergelijke geneesmiddelen zouden eiwitten ervan weerhouden taken uit te voeren die bijdragen aan ziekte.

"We hebben het onderzoek uitgevoerd met behulp van een nieuwe techniek die we hebben ontwikkeld, de anisotrope terahertzmicroscopie (ATM), die laat zien hoe de natuur gebruikmaakt van eiwitbewegingen om de efficiëntie te verbeteren. We kunnen deze bewegingen vervolgens optimaliseren voor geneeskunde en biotechnologie, " zegt eerste auteur Katherine Niessen, een UB-promovendus in de natuurkunde.

Het onderzoek, gepubliceerd op 14 maart in Biofysisch tijdschrift , werd uitgevoerd door UB, de Universiteit van Perugia in Italië, en Hauptman-Woodward Medical Research Institute. Het werd gefinancierd door de National Science Foundation (NSF).

Foxtrot of tango?

De studie richtte zich op het kippeneiwit lysozym, een eiwit dat voorkomt in eiwitten.

Als eerste stap in hun project, de wetenschappers vergeleken de regelmatige trillingen van het lysozym met de trillingen van het lysozym wanneer het gebonden was aan een molecuul waarvan de aanwezigheid het eiwit verhinderde zijn gebruikelijke biologische taken uit te voeren.

Wat de wetenschappers zagen was dat de vrije en geremde lysozymen met vergelijkbare energieën trilden, maar met verschillende bewegingsrichtingen:het vrije lysozym fladderde met een scharnierachtige klapbeweging - zoals de vleugels van een vlinder - terwijl het geremde lysozym in een meer schaarachtig patroon bewoog.

"Het resultaat was een fundamentele verandering ten opzichte van de conventionele kijk. De trillingen veranderden van richting, zelfs als de energie van de bewegingen hetzelfde bleef, " zegt Markelz. (Ze voegt eraan toe dat als analogie, dit is verwant aan twee mensen die verschillende dansen uitvoeren - de foxtrot en tango, bijvoorbeeld, maar met dezelfde hoeveelheid energie.)

Dezelfde dynamiek kwam naar voren toen het team het reguliere lysozym vergeleek met een gemuteerd kippeneiwit-lysozym dat effectiever was in het uitvoeren van zijn werk. De mutante en normale lysozymen hadden dezelfde vibratie-energieën, maar verschillende trillingsrichtingen.

Een kant-en-klaar instrument voor het meten van trillingen

Onderzoek naar moleculaire trillingen zou nieuwe wegen kunnen openen voor de ontwikkeling van geneesmiddelen en het kunstmatig oogsten van energie (de trillingen kunnen verklaren waarom fotosynthese zo efficiënt is). Maar historisch gezien de kleine pulsen en hartkloppingen in eiwitten zijn erg moeilijk te bestuderen.

Markelz hoopt daar verandering in te brengen door een kant-en-klaar instrument te ontwikkelen waarmee wetenschappers over de hele wereld de trillingen kunnen onderzoeken.

Om het kippeneiwit lysozym te bestuderen, haar team gebruikte de ATM-techniek die haar onderzoeksgroep in eigen huis ontwikkelde. In tegenstelling tot andere methoden die worden gebruikt om eiwittrillingen te onderzoeken, ATM stelt wetenschappers in staat om niet alleen trillingsenergieën te observeren, maar ook de richting van bewegingen.

De NSF heeft Markelz onlangs bijna $ 400 toegekend, 000 subsidie ​​om een ​​gebruiksvriendelijk ATM-instrument te commercialiseren, wat de capaciteit van de wetenschappelijke gemeenschap zou vergroten om moleculaire trillingen te onderzoeken. Het apparaat zou een grote vooruitgang betekenen ten opzichte van andere bestaande methoden, die slechts een grof overzicht van de trillingen geven en extreem droge en koude omgevingen en dure faciliteiten vereisen, zegt Markelz.