Wat de organisatie van de ruimte betreft, DNA heeft krachten die wedijveren met Marie Kondo. Een DNA-streng van twee meter lang vouwt zichzelf ingewikkeld in een celkern van slechts 10 micron breed. (Een van de haren op je hoofd heeft een diameter van 100 micron, en je kunt niets kleiners zien dan dat zonder een microscoop.) Alles wat biochemisch moet gebeuren om het DNA te laten functioneren, hangt af van het precieze uitpakken en afwikkelen van zijn strengen uit die kleine ruimte.

Maar de studie van DNA en andere complexe moleculen richt zich vaak niet op hun mechanische eigenschappen, maar op hun chemische processen, merkte Duke werktuigbouwkunde en materiaalkunde professor Piotr Marszalek op. Hoewel biochemisch onderzoek heeft geleid tot baanbrekende toepassingen zoals klonen, gentherapie en genexpressieprofilering, Marszalek zei dat de intense focus op het enkele gebied soms het belang van mechanica overschaduwt bij het begrijpen van de relatie tussen moleculaire structuur en functie.

Marszalek behoort tot een gemeenschap van onderzoekers die single molecule force spectroscopie (SMFS) gebruiken om de moleculaire structuur te bestuderen, en de krachten die deze structuren stabiliseren. Momenteel, er zijn drie hoofdbenaderingen van SMFS:atomaire krachtmicroscopie (AFM), die het oppervlak van een molecuul scant met een sonde ter grootte van enkele atomen en in staat is deze moleculen mechanisch op te rekken; optisch pincet, die via gerichte lasers deeltjes aantrekken (en die hun uitvinder, Arthur Ashkin, een Nobelprijs voor natuurkunde); en magnetische pincet, wiens aantrekkingskracht zo krachtig is dat Marszalek me waarschuwde om ze niet aan te pakken, uit angst dat mijn huid tussen de magnetische cilinders zou worden geknepen en ik ze onmogelijk uit elkaar zou kunnen wrikken.

Elke benadering stelt onderzoekers in staat om een ​​enkel molecuul te vangen, zoals DNA, of een beetje spier of ander eiwit - en rek het langzaam uit om te observeren wat er gebeurt.

Het breekt niet zomaar doormidden, zoals je misschien verwacht.

Polypeptideketens zijn lokaal gevouwen, Marszalek legde uit, op een manier die kleine bolletjes vormt. "Als je een eiwit in eerste instantie uitrekt, je maakt een rechte structuur, "zei hij. "Maar als je verder trekt, alles begint te ontspannen. Je kunt trekken en trekken zonder te breken, en in extreme gevallen kan een domein ontrafelen en extra lengte bieden om zichzelf te beschermen."

Marszalek benadrukte dat dit geen nieuws is - in mei 1997 drie papers over dit onderwerp werden bijna gelijktijdig gepubliceerd, een in Natuur (Het team van Robert Simmons gebruikte een optisch pincet) en twee in Wetenschap (Het team van Carlos Bustamante gebruikte ook een optisch pincet, terwijl het team van Herman Gaub AFM gebruikte). Maar die ontdekkingen hebben onderzoekers veel geleerd over hoe spieren worden opgebouwd, en versterken het belang van het begrijpen van mechanica op de kleinste schaal.

Marszalek probeert momenteel te begrijpen hoe moleculen hun vorm en functie herstellen zodra de spanning die erop wordt uitgeoefend is verminderd. Neem vuurvliegluciferase - wanneer correct gevouwen, dit eiwit bioluminesceert. Wanneer het zijn structuur verliest, het wordt een eenvoudig polymeer, niet in staat om licht te produceren. andere eiwitten, op hetzelfde punt van instorten, profiteren van de hulp van "chaperonne-enzymen" die helpen bij het herstel van hun oorspronkelijke vorm. Hoe ze het doen, precies, is onduidelijk, en meer leren over dat mechanisme zou inzicht kunnen geven in hoe ons lichaam geneest na fysieke stress.

Sommige collega's van Marszalek werken aan de werking van bacteriële infecties - hoe bacteriën zoals stafylokok in staat zijn om receptoreiwitten in cellen te detecteren en er zo hardnekkig aan vast te houden dat de bloedbaan ze niet kan wegspoelen. De sterkte van die band is in 2017 met succes gemeten met AFM, en ontdekken hoe de banden kunnen worden ontbonden, zou kunnen helpen in de strijd tegen dergelijke dodelijke infecties.

Aan het einde van de zomer van 2019, de National Science Foundation financierde een SMFS-workshop die Marszalek organiseerde, naast Andres F. Oberhauser van de medische afdeling van de Universiteit van Texas. gehouden in Duke, de workshop bracht de beroemdheden die decennia geleden pionierden met SMFS-technieken samen met junior onderzoekers die zich concentreerden op de toekomstperspectieven voor krachtspectroscopie. De intense agenda van sessies en rondetafelgesprekken duurde elke dag tot diep in de avond, terwijl deelnemers de belangrijkste prestaties beschreven die door elke techniek mogelijk werden gemaakt, voorgestelde toekomstige richtingen, en piekerde over wegversperringen die verdere vooruitgang in de weg staan.

Het was ook, zoals Marszalek had gehoopt, een ruilbeurs voor tools en ideeën. Onderzoekers van de Universiteit van Colorado-Boulder boden moleculen aan die kunnen worden gebruikt als "handvatten" om andere moleculen uit elkaar te trekken; een onderzoeker van Johns Hopkins demonstreerde hoe laserpincet kan worden gebruikt om vers gesynthetiseerde eiwitten te vangen. Marszalek zelf liep weg met een glanzende nieuwe samenwerking met de Universiteit van Milwaukee, wiens natuurkundigen diepgaande expertise hebben met magnetische pincetten.

"Single molecule force spectroscopie is duidelijk volwassen geworden en heeft veel baanbrekende ontdekkingen opgeleverd op het gebied van mechanobiologie en mechanochemie, " zei Marszalek. "De opwinding over SMFS-benaderingen neemt gestaag toe, maar er zijn uitdagingen die moeten worden opgelost, vooral als het gaat om het benutten van SMFS om mechanische eigenschappen en krachten in levende cellen te bestuderen. Naarmate onderzoekers slimme benaderingen ontwikkelen om dat doel te bereiken, dit onderwerp alleen al zou een thema kunnen zijn van een ander spannend symposium."